數控加工技術在自由曲面加工中的應用

黃 蓓

（河南省商丘職業技術學院，河南 商丘 476001）

引言

機械加工制造是推進國民制造行業的關鍵，提高零部件的制造精度和制造效率為當前解決的主要問題。目前，機械零部件加工的主要設備為五軸數控加工設備，其能夠對復雜部件進行快速、高質量的加工，尤其是對超薄零件的加工是其他加工設備所不能滿足的[1]。對于螺旋槳的葉輪，該零件屬于自由曲面零件，依靠CAD/CAM軟件加工時對應的加工成本過高。為提高螺旋槳葉輪的加工精度、加工速度，降低其加工成本，本文將著重研究數控加工技術在自由曲面的應用。

1 數控加工技術概述

1.1 五軸數控加工技術

所謂五軸數控加工技術指的是機床可實現對零件至少五個自由度的加工，包括有三個直線方向的自由度和兩個旋轉方向的自由度。與三軸加工相比，五軸加工能夠保證零件在一次裝夾后即可完成加工任務；對于曲面零件而言可提高零件的加工質量、精度和效率。常見的五軸數控加工設備包括有立式五軸加工中心和臥式五軸中心。

對于五軸數控加工技術而言，其關鍵技術為實現五個自由度的聯動控制，具備計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工的能力。為保證零部件的加工質量和精度，需對五軸加工技術的加工參數、刀位軌跡進行合理設置[2]。

1.2 高速數控加工技術

高速數控加工技術是實現對零件高效、高精度以及高質量的切削技術。我國制造行業未來發展的目標之一是實現對零部件的高速切削，其最明顯的特征為具有較高的加工速度。高速數控加工技術與其他加工技術相比具有的優勢有：可提高零件的加工效率，減少加工時間和加工成本；高速加工下刀具所承受的切削力減小30%以上，主要適用于對薄壁零件和剛性較差零件的加工；在高速加工的基礎上，切削熱能夠快速散去，在一定程度上減小了加工零件由于高溫而導致的熱變形；高速切削下其工作頻率遠大于加床的低階固有頻率，加之零件的粗糙度主要與低階固有頻率相關，故高速切削可降低零件的表面粗糙度[3]。

2 數控加工技術在自由曲面的加工工藝

對于螺旋槳的葉輪而言，該零件的厚度最小僅為0.3 mm，屬于超薄工件。實踐表明，單單采用五軸數控加工技術無法實現對類似于螺旋槳葉輪等超薄零件的加工，由于螺旋槳葉輪的切懸升長度過大容易導致螺旋槳的葉片被折斷。因此，結合五軸數控加工技術和高速數控加工技術的優勢完成對螺旋槳葉輪的加工任務。

2.1 五軸數控加工工藝

對于曲面零件而言，可對五軸數控加工工藝中刀具的控制方式和驅動方式進行調整，從而完成相對復雜的加工任務。基于五軸數控加工技術，對自由曲面加工可由兩步驟完成：第一步為在待加工原材料上產生驅動點；第二步為將原材料上的驅動點根據產品的結構進行投射。對于自由曲面輪廓銑的驅動方式包括有曲線/點驅動、邊界驅動、螺旋驅動、曲面區域驅動、刀軌驅動、徑向切削驅動以及用戶函數驅動等。

根據產品輪廓的投射結構對機床的刀軸進行控制，包括對電和線刀具軸、法向刀具軸、插補刀具軸、相對刀具軸、旋轉角、引導角以及傾角等進行控制[4]。在實際加工過程中，需對走刀步長和走刀行距兩大關鍵參數進行設計，走刀步長的計算公式如式（1）所示：

式中：ε為直線逼近誤差極限；Kf為待加工原材料表面在切削方向上的曲率半徑。

五軸數控加工走刀行距的計算公式如式（2）所示：

式中：h為殘留高度；Rc為所機床所采用刀具的切削半徑；Rb為待加工零件曲面在行距方向上的法曲率半徑；r為刀具與加工表面相接觸位置的曲率半徑；n為刀具與加工表面相接觸位置法向方向上的矢量。

2.2 高速數控加工工藝

高速數控加工工藝的實現需要采用質量和性能更高的刀具、夾具，而且還要根據實際加工自由曲面的特點對刀具路徑進行優化。因為，高速數控加工工藝對應的切削速度和進給速度很大，若其刀具路徑不合理極易會對零件造成沖擊，從而影響產品的質量，甚至會損壞刀具。基于高速數控加工工藝，對應刀具路徑設計或改進時需遵循如下原則：

1）機床刀具在進刀操作時應保證刀具斜切進入零件，確保零件加工零件不會受到較大的沖擊；

2）在實際切削過程中，盡可能避免切削速度發生突變，要求切削全程平穩進行；

3）在對零件進行軸向方向加工切削時，進給量應合理，避免進給量過大造成零件承受較大的切削力，產生大量的切削熱而導致其發生熱變形。

高速數控加工中刀具路徑的改進包括有對刀具傾斜角度和刀具走刀路徑的優化。

3 數控加工技術在自由曲面加工的應用

本節將以螺旋槳葉輪為例研究數控加工技術在自由曲面零件技工的應用。機械加工需經歷粗加工、半精加工以及精加工三個環節，最終獲得產品。其中，粗加工是將毛坯在最短時間內去除其余量，要求在合理范圍內盡可能地采用較大的進給量和切削深度；半精加工和精加工是為保證產品的質量，在合理范圍內盡可能采用較小的進給量和切削深度，以加工所得的產品具有預期的形狀和尺寸[5]。對于螺旋槳葉輪的加工設計工藝流程如圖1所示。

圖1 螺旋槳葉輪加工工藝流程

針對螺旋槳葉輪的加工經歷粗加工、精加工階段。在粗加工階段采用直徑較大的刀具，將粗加工時間控制在最短；結合螺旋槳葉輪的特點，對于其精加工采用球頭刀（帶一定錐度），且其錐度為3°～5°，對應的加工參數如表1所示。

表1 螺旋槳葉輪數控加工參數

在粗加工階段，將球頭刀的矢量方向設置與零件直紋面的法向方向呈15°，對應切削深度選用較大值，以較小切削速度進行加工。

在半精加工和精加工階段，將球頭刀的矢量方向設置與螺旋槳葉輪表面的法向方向呈80°，對應切削深度選用較小值，以較大的切削速度進行加工。

4 結語

螺旋槳葉輪屬于薄壁機械零件，采用傳統的加工手段存在加工效率低、質量差以及精度低的問題。為此，本文結合五軸數控加工技術和高速數控加工技術的特點，采用球頭刀對螺旋槳葉輪進行粗加工、半精加工和精加工，并根據不同階段對刀具傾角和刀具轉速進行合理化設計。