數控銑削工件表面波紋分析與控制**

李連玉 郭志平 曹文軍 李 穎 陳學振

(成都飛機工業(集團)有限責任公司數控加工廠，四川 成都 610091)

數控銑削工件表面波紋分析與控制**

李連玉 郭志平 曹文軍 李 穎 陳學振

(成都飛機工業(集團)有限責任公司數控加工廠，四川 成都 610091)

針對數控銑削工件表面波紋問題，分析了工件表面波紋形成的原因，提出了在生產現場中針對工件表面波紋問題的分析流程。以某機床實際加工過程中的零件波紋問題為例，通過采用該分析流程，確認了工件表面波紋的原因，給出了對應的解決方法，采用改變切削參數的方法進行了實驗驗證，實驗結果表明所給出的工件表面波紋問題分析流程及對應的解決方法能夠有效解決工件表面波紋問題，極大地提高了工件加工表面質量。

表面波紋；分析；控制

航空結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的主要組成部分。現代飛機為滿足隱身、超音速巡航、結構輕量化等方面性能的要求，對飛機結構零件的制造精度要求越來越高，且對零件加工表面質量的控制也越來越嚴格，零件的表面質量也成為產品驗收的一項重要指標，給數控銑削加工，特別是數控高速銑削加工提出了更高的要求。

根據目前的生產實際，通常情況下工件加工的幾何尺寸精度都能夠得到保證，而工件表面質量差的問題反而較多[1]，特別是在數控高速銑削加工中，工件產生表面波紋的問題尤為突出，因此，對數控銑削加工中工件表面波紋問題的研究就顯得尤為重要。

1 數控銑削工件表面波紋形成原因

表面波紋度是在工件已加工表面上重復出現的具有一定周期性的中等數值量的幾何偏差。表面波紋度的波幅介于宏觀和微觀幾何偏差之間，其幅值大于表面粗糙度值但小于表面幾何形狀誤差，通常把波長大于1 mm、小于10 mm的劃分為表面波紋度。

圖1為比較典型的工件表面波紋現象。通常，表面波紋是由于工件表面在機械加工過程中機床與工具系統的振動而形成的，而造成振動的原因卻具有復雜性和多樣性的特點。

根據機床銑削工件的控制及執行過程分析，造成機床與工具系統振動的原因主要包括3類：一是工件加工過程中本身結構剛性不足而振動引起的銑削波紋；此類型的表面波紋多見于零件的腹板、開口緣條等結構剛性差的部位。如圖2a所示零件腹板厚度較薄(小于3 mm)、大面積懸空；圖2b所示為典型開口緣條結構，壁薄，開口處沒有支撐，加工時很不穩定，這些類似結構在加工中都容易出現波紋。在遇到這種結構時，就必須要從工藝方案上想辦法，采用加強支撐等方式增強其工藝結構穩定性。

二是數控系統插補運算造成的數控銑削表面波紋，數控銑床是通過線性插補方式來實現輪廓控制的，例如當要進行圓弧加工時，實際上就是將圓弧按精度要求離散成一系列的直線段，如圖3所示，當插補的精度不夠高時，就會出現輪廓誤差，表現在工件表面出現波紋。

三是機床本身因素引起的銑削表面波紋。機床因素包括機床本身結構剛性、進給伺服系統的動態特性、機械系統剛性以及伺服系統動態特性與機械系統剛性之間的匹配。由于進給伺服系統的執行部件是一個質量單元，而傳動機構是一個彈性原件，兩者構成了一個振蕩環節，如圖4所示。如果系統參數選用不合理，則有可能產生振動，表現在加工上，就是產生振動波紋[2]。

2 數控銑削工件表面波紋分析

根據生產實踐統計的經驗數據表明，80%以上的現場表面波紋問題的主要原因都是由于工件工藝結構剛性和機床本身因素這兩方面原因引起的，系統插補導致工件表面波紋的情況不多并且較易分析解決，因此在進行表面波紋問題的分析時，重點還是放在工件工藝結構剛性和機床本身因素上[4]。

根據表面波紋產生的部位，嚴重程度以及加工過程中是否出現如機床報警、聲音異常等現象來進行初步的判斷；對人為因素進行分析，是否是由于人員誤操作等因素造成問題；對系統插補因素進行分析，如前文所述，由于該類問題較少，且容易判斷和解決；最后對工件工藝結構剛性和機床本身因素進行深入分析。在進行原因分析后，通過實驗驗證的方式看問題是否得到有效的解決。

按照上述數控銑削工件表面波紋的分析思路，在生產現場實踐中一般按照圖5所示流程進行工件表面波紋的分析。

在某工件加工過程中，多臺同一型號機床銑削加工內形產生0.1～0.2 mm波紋度(如圖6)，嚴重時甚至出現超差，導致產品質量無法保證。

根據前文所述的工件表面波紋的分析流程，該工件出現波紋的部位在緣條的內形面靠近轉角處，較為明顯，在多臺同型號機床以及同類型工件的相似部位均有不同程度的波紋，因此可以排除人為因素的原因；波紋并非出現在銑外圓或內圓的部位，機床的插補精度滿足要求，且程序采用的為圓弧插補，因此也可以排除系統插補因素的原因。重點進行該部位工藝結構剛性及機床本身因素的原因分析。

對問題工件加工程序進行Vericut軟件仿真，顯示其切削結果較為理想，未出現實際加工中所表現出來的表面波紋；對問題部位工藝結構剛性進行分析，發生表面波紋的部位緣條高度不超過25 mm，結構穩定，而使用的刀具長度為45 mm，實時采集工件加工時機床主軸的功率、電流等數據，也未發現異常，因此可以排除工件工藝結構剛性的原因。

進行機床本身因素的原因分析，在出現波紋的部位，機床C軸的旋轉角度變化比較大，速度改變明顯。為了分析機床動態特性，尤其是旋轉軸的動態特性，選取出現問題的程序段及加工正常的程序段為樣本進行數值分析，涉及的參數包括：各軸坐標值、速度、運動時間及旋轉軸加速度。以某機床加工為例，選取加工后正常的曲面及出現波紋的曲面所在部位的加工程序進行計算，算法如下所示：

(1)

t=L/F

(2)

F_a=Sa/t

(3)

F_c=Sc/t

(4)

a_a=d(F_a)/dt

(5)

a_c=d(F_c)/dt

(6)

式中：L為軌跡軸運行距離，mm；F為軌跡運行速度，mm/s；S為旋轉軸運行距離，deg；腳標a、c分別代表旋轉軸A、C；t為非減速情況下運行時間，s；F_a為旋轉軸A的指令理論運行速度，mm/s；F_c為旋轉軸C的指令理論運行速度，mm/s；a_a為旋轉軸A的平均加速度，deg/s2；a_c為旋轉軸C的平均加速度，deg/s2。

數值計算結果如表1所示，陰影部分為出現波紋部位、，其余為表面光滑的部位，根據計算結果，繪制機床A軸和C軸的角加速度曲線如圖7所示。

檢查該機床的旋轉軸參數設定，其旋轉軸極限速度為3 500 deg/s，旋轉軸極限加速度為399.6 deg/s2，從數值分析中可以發現，機床A軸的加速度值及變化幅度較小，而C軸的加速度在波紋產生處大幅變化，最大加速度值達到1 000 deg/s2以上，但其中超過399.6 deg/s2加速度上限的只有兩處。與表面正常程序段的加速度曲線相比(如圖8)，可以發現，表面正常程序段機床的A、C軸的加速度變化較為平穩，加速度的絕對值較小，均在100 deg/s2以內。

從加速度曲線圖可以看出，在產生波紋的部位機床C軸連續改變速度與加速度，且加速度絕對值超過了100 deg/ s2。由于在加工過程中采用了帶加速度控制的位置指令函數，當指令速度和加速度超過系統設定值后，系統會自動將其按設定值處理。通過分析數據發現，在產生波紋問題的程序段中，旋轉軸速度和加速度沒有超過最大設定值3 500 deg/s和399.6 deg/s2，因此可以排除系統動態參數設置的問題。

最后進行機床的機械系統因素的分析，對比同一型號各機床加工該工件的波紋情況，波紋情況按每臺機床具體的使用情況的不同表現程度不同，使用時間最長，機械磨損程度較大的機床加工該工件的波紋問題最嚴重，可以推斷該工件波紋問題和機床的機械系統剛性有關，機床的機械傳動性能已無法滿足加速度絕對值較大情況下的要求，受到了較大的沖擊。初步得到出結論：由于機床機械性能的下降，機床旋轉軸的跟隨特性不能滿足伺服系統設定的動態參數，當程編指令中要求速度值變化較大時，機械系統的運動無法滿足伺服系統較大的加速度要求，導致了機床的不穩定，在加工中產生波紋。

表1 旋轉軸A、C速度、加速度數值分析表

部位S/degt/sF＿a/(deg/s)F＿c/(deg/s)a＿a/(deg/s2)a＿c/(deg/s2)110．50453970．090038912153．9334467-3271．91873．4383851573．4740524210．04816610．086127138170．6779119-2923．12053．2402611767．496773439．500809910．081435514185．6683816-2625．14463．0679632350．984013248．878663690．076102832202．6205814-2376．25853．7125644154．506540658．2010870．070295031219．3611651-2171．41953．9691244648．566500467．455511850．063904387240．359084-2010．19065．4763894843．049499676．663980940．057119837264．7066394-1888．66097．1042323135．460464785．909651940．050654159294．9412282-1811．1059．9480441325．518105895．209614380．044653838333．2300383-1779．018414．290974111．9760296104．579920630．039256463382．1026914-1803．524720．7493025-10．404348114．025403960．034503462441．6948013-1897．200928．7855699-45．249659123．554360980．030465951508．1082109-2073．790536．33204-96．604889133．16270470．027108897584．3100059-2350．519846．8491912-170．13437142．847419180．02440645656．3838621-2718．953449．2177654-251．59577152．606867090．022344575716．9525484-3133．646545．1777715-309．31681161．568201840．01344173772．2220264-3950．384468．5297179-1012．6894171．678524050．014387349679．7638659-3950．6545-107．10586416．720068

表2 更改程序后旋轉軸A、C速度、加速度表

部位S/degt/sF/(mm/s)F＿a/(deg/s)F＿c/(deg/s)a＿a/(deg/s2)a＿c/(deg/s2)15．473349520．109466993000255．9675742-869．85126-1．8828264-29．511825．758572830．1151724573000241．2055976-1071．6197-2．1362319-29．198336．06039520．1212079043000223．2527674-1281．1046-2．4686-28．805246．369791360．1273958273000201．1054879-1499．5782-2．8974365-28．58256．67682110．1335364223000174．7837755-1723．1254-3．2852101-27．900966．973596560．1394719313000142．3942425-1942．3263-3．870496-26．194177．24433330．1448866663000104．771546-2140．9838-4．3278306-22．852187．473938720．149478774300060．61061201-2294．3726-4．9238801-17．102697．643787410．152875748300011．38179221-2375．2623-5．3669751-8．81868107．738760950．1547752193000-41．8671674-2361．2307-5．734011．510963116．948230280．1389646063000-94．5564516-2252．0843-6．319269113．09044126．832205570．1366441113000-144．901963-2072．0981-6．1407121．95316

3 數控加工工件表面波紋控制

針對機床機械系統性能問題，能夠消除工件表面波紋的辦法有以下幾種[3]：

(1)調整加速度等相關參數設定，保證電機性能與目前的機床機械性能相匹配，盡可能滿足旋轉軸大加速度加工的性能要求。

(2)檢修機床機械系統部分，增強其抗沖擊性能及傳動剛性，保證在大加速度情況下的加工穩定性。

(3)調整加工程序，將故障段程序的速度減小，滿足加工過程中的機械動態性能。

機床系統參數的調整、機械系統的檢修，考慮因素較多需要反復進行試驗，耗時較長。因此本文選用調整加工程序的方法，通過降低故障程序段的速度以降低加工過程對機床動態性能的要求。

減小該工件加工程序中指令的進給速度，通過數值分析的方式，將速度和加速度調整在較小的范圍之內，如表2所示，加速度值均未超過30 deg/s2。經過試切后發現波紋問題完全消失，工件表面光滑，如圖9所示。這一結果反映出當降低對機床機械性能的要求時，表面波紋能夠消除，由此可以得知機床的機械系統剛性在下降。同時也證明了在不改變系統動態參數的情況下，通過調整程序進給，使機械系統對伺服系統的性能相適應，能夠使機床加工過程變得穩定，消除工件表面波紋問題。

4 結語

本文對數控銑削工件表面波紋的形成原因進行了分析，根據導致工件表面波紋的原因，提出了生產現場工件表面波紋問題的分析流程，利用該流程，對某機床工件加工過程中的表面波紋問題進行了分析，通過加工正常表面與出現波紋表面的分析對比，確定了該機床加工工件表面出現波紋是由于機床機械系統磨損，機械性能無法達到加工要求所致。針對該原因導致的工件波紋，給出了對應的解決方法，通過調整工件加工過程中的切削參數，降低加工過程對機床機械性能的要求，實驗結果表明，本文提出的生產現場數控銑削工件表面波紋的分析流程和對應的解決方法能夠有效解決工件表面波紋問題，大幅度提高數控銑削工件的表面質量。

[1]徐巖，何思陽，高霖，等.復雜鈑金零件漸進成形表面質量影響因素[J].南京航空航天大學學報,2009,41(5)：9-13.

[2]武友德,黃承軍,李柏林.數控加工波紋的控制技術研究與系統開發[J].機械設計與制造,2008(6)：187-189.

[3]司徒渝.數控加工振動波紋的消除技術研究[J].機電工程技術,2008,37(1):30-31,113.

[4]Shi Hanmin, Tobias S A．Theory of finite amplitude machine tool instability[J]. J．of MTDR，1984,24(1)：4-69

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Analysis and control research on external waviness of NC machining parts

LI Lianyu, GUO Zhiping, CAO Wenjun, LI Ying, CHEN Xuezhen

(NC Machining Workshop, Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu 610091, CHN)

For external waviness of NC machining parts, this paper analyzes the forming reason, and presents the analysis process. Taking a NC machine tool machining parts for example, by using the analysis process which this paper shows, the reason caused the external waviness is determined, this paper also presents corresponding solve methods, and makes experiments by changing cutting parameters, the results show that the analysis process and the corresponding solve methods can reduce machining parts’ external waviness effectively, and improves the part surface’s quality largely.

external waviness; analysis; control

TH161+.14

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.021

藝) (

2016-09-28)

161229

*“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項：五軸聯動數控機床精度測評技術與標準(2014ZX04014-031)