數(shù)控銑加工復(fù)雜曲面零件的研究

王佳智

（沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車分院，遼寧 沈陽 110015）

1 復(fù)雜曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工制造過程的研究

一直以來，表面具有比較復(fù)雜曲面的零件的加工制造都是機(jī)械加工制造領(lǐng)域中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。如果采用普通的機(jī)床用于制造表面具有比較復(fù)雜的曲面的零部件，即使有多年豐富的加工經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)非常熟練的技術(shù)工人也無法保證其穩(wěn)定的加工精度，如果能夠確保相關(guān)零件的加工精度，相關(guān)零件也是通過降低加工效率使加工精度穩(wěn)定。對比于常規(guī)的加工制造方法，多軸聯(lián)動的數(shù)控制造方案具有顯著的優(yōu)勢和特點(diǎn)，尤其是在加工外形比較復(fù)雜的曲面零件，僅使用一次裝夾工序便能夠加工若干待加工的表面，并且是在具有較高的效率的前提下還可以獲得較高質(zhì)量以及較高的加工精度，因此發(fā)展五軸聯(lián)動的數(shù)控加工制造技術(shù)是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的任務(wù)[1]。

1.1 五軸聯(lián)動形式的數(shù)控加工制造過程中程序編寫技術(shù)

1.1.1 數(shù)控加工程序編寫方法

五軸聯(lián)動的數(shù)控加工程序通常使用CAM類型的軟件來進(jìn)行編寫，大量應(yīng)用在航空航天、汽車制造以及模具成型等領(lǐng)域中。其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠編程應(yīng)對外形狀相對復(fù)雜的曲面類型的零部件，可以得到比較合理的NC類型數(shù)控加工制造程序。多軸聯(lián)動的數(shù)控加工制造自動化編程的工作流程如圖1所示。CAD/CAM領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)輔助形式的編程模式通常可以分成2類。1）一體集成形式的CAD/CAM設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)。該系統(tǒng)與CAXA，UG，Pro/E等程序相似，該程序可以直接調(diào)用CAD軟件建模生成相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)體數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用CAM相關(guān)模塊把加工需要的工藝參數(shù)導(dǎo)入程序中，并且在程序中定義加工刀具的走刀加工路線，定義后期處理刀具走刀加工軌跡以及程序進(jìn)行動態(tài)仿真切削加工的過程。在該過程中，系統(tǒng)中各個部分的數(shù)據(jù)信息具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)特性，假如工程技術(shù)人員需要更改相關(guān)產(chǎn)品的數(shù)字實(shí)體模型或者編寫程序的進(jìn)程中某個特定的參數(shù)，系統(tǒng)將會自主更改刀具行進(jìn)的軌跡路線，進(jìn)而提升了編程工作的執(zhí)行效率。2）相對獨(dú)立的CAD/CAM程序系統(tǒng)。該類軟件的CAD相關(guān)功能相對于前者稍微弱化，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)沒有關(guān)聯(lián)特性，數(shù)字模型的任何一次更改都需要再次進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作，因此工作量比較大，這樣的特性在一定程度上影響了技術(shù)人員編程工作的效率，一般不適合作為外形具有復(fù)雜曲面的零部件產(chǎn)品的編程使用的軟件。數(shù)控程序由程序編號、程序內(nèi)容和程序結(jié)束段組成。例如：

圖1 多軸聯(lián)動數(shù)控加工制造自動化編程流程圖

1.1.2 表面具有復(fù)雜曲面的零部件加工制造工藝

如果待加工零件表面具有相對復(fù)雜曲面造型，在銑削數(shù)控加工制造過程的核心環(huán)節(jié)即為曲面加工的工藝方法的步驟的設(shè)定過程，切削加工設(shè)備，切削加工的刀具，切削過程相關(guān)參數(shù)的最佳選擇等。表面具有復(fù)雜曲面的零件如果從待加工曲面的形狀特性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來講，總體上可以分成2個類型：1）類似增壓裝置內(nèi)部的葉輪，葉片類型的曲面或者整體旋轉(zhuǎn)刀具的螺旋形狀槽體曲面具有的直紋表面。2）相關(guān)曲面的曲率半徑可能發(fā)生改變的自由類型的曲面，類似各類沖壓零部件，模具的零部件。

表面具有復(fù)雜曲面零件的加工模式根據(jù)加工制造時刀具進(jìn)給過程中的切削角度能夠劃分成端銑加工以及側(cè)銑加工2類。端銑加工是應(yīng)用刀具的端面的切削刃對于待加工的零部件的相關(guān)加工表面進(jìn)行銑削操作，這是銑削加工操作中最普遍的一類操作模式，其特征是加工過程中參與切削加工的刀齒相對較多，因此切削刃在工作時的磨損速度比較慢，切削加工的效率較高。該加工模式下的刀軸相對較短，整體結(jié)構(gòu)的剛性比較好，在銑削時刀具運(yùn)行比較平穩(wěn)，因此能夠使用相對比較大進(jìn)給量的加工模式。在加工制造表面具有凸凹面的零部件時可以有效地避開相關(guān)干涉表面，大大提升了零件最終的制造品質(zhì)。應(yīng)用刀具的側(cè)刃來進(jìn)行零部件被加工曲面銑削加工的方法稱為側(cè)銑加工。該加工模式的主要特征為刀具和待加工表面的接觸線的長度比較大，加工制造的效率以及零件表面的加工品質(zhì)比較好。直紋表面，準(zhǔn)直紋表面等類型的曲面通常采用側(cè)銑加工制造的模式[2]。

1.1.3 五軸聯(lián)動的數(shù)控加工過程中的刀具運(yùn)動控制

1.1.3.1 五軸聯(lián)動的數(shù)控加工過程中的刀具軸線方向的矢量控制方案

與刀軸驅(qū)動面垂直方向的刀具軸線在運(yùn)行過程中始終將與刀軸的運(yùn)動面對應(yīng)點(diǎn)處的表面法向矢量相互平行。通常用于完成直徑較大的刀具的端部銑削加工的模式，能夠得到相對較大的切削加工寬度及行間區(qū)域的切削剩余高度數(shù)值。進(jìn)而可以降低刀具運(yùn)行的軌跡長度數(shù)值用以提升系統(tǒng)的加工制造效率。加工表面具有復(fù)雜曲面的零件時假如僅僅應(yīng)用垂直于刀軸運(yùn)行表面或者平行于刀軸運(yùn)行表面的加工制造模式通常會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況可能造成待加工的零件報(bào)廢。假如加工過程中使用的是五軸聯(lián)動的機(jī)床進(jìn)行加工制造，該設(shè)備應(yīng)用的是和刀軸運(yùn)行表面處在一定的傾斜角度的模式來調(diào)整刀具的角度，從而出現(xiàn)杜絕刀具、待加工零件、工裝夾具和機(jī)床設(shè)備等部分發(fā)生干涉（即相互之間的運(yùn)動軌跡發(fā)生交叉，影響彼此的正常運(yùn)行）的情況，并且可以優(yōu)化和改進(jìn)數(shù)控加工程序。在實(shí)際進(jìn)行的零部件加工制造過程中，五軸聯(lián)動的數(shù)控銑削加工機(jī)床能夠根據(jù)零部件的特征來進(jìn)行科學(xué)的刀具運(yùn)行軌跡的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。

1.1.3.2 五軸聯(lián)動的數(shù)控加工制造過程中刀具行動軌跡的控制要點(diǎn)

在多坐標(biāo)系的表面具有復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工制造進(jìn)程中，刀具運(yùn)行軌跡的設(shè)置是否合理將對零件的加工精度以及工作效率產(chǎn)生直接的影響。加工同樣的復(fù)雜曲面所應(yīng)用的刀具的運(yùn)行軌跡如果不一致，就會導(dǎo)致零件的加工制造精度以及加工效率發(fā)生顯著的區(qū)別，通常來講，評價刀具運(yùn)行軌跡合理性的重要因素一般包括如下3點(diǎn)：1） 刀具運(yùn)行軌跡的長度數(shù)值。對于相關(guān)的零部件實(shí)施加工制造過程中刀具運(yùn)行軌跡總的長度數(shù)值，包括刀具進(jìn)行切削進(jìn)給時的有效軌跡路徑的總長度及不直接參與切削加工時的空行程的總體長度數(shù)值。由此可見，刀具運(yùn)行軌跡數(shù)值越小，其加工制造過程的工作效率越高。2） 刀具運(yùn)行軌跡的連續(xù)特性。當(dāng)表面具有復(fù)雜曲面的零件進(jìn)行精加工時，需要實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)走刀切削方式，只有這樣操作才可以確保零部件的復(fù)雜表面的加工制造品質(zhì)。如果在加工制造參數(shù)設(shè)置過程中出現(xiàn)了頻率較大的抬刀現(xiàn)象，零部件的被加工表面由于斷續(xù)性的刀具運(yùn)行軌跡以及系統(tǒng)累積的誤差而影響了最終的加工制造品質(zhì)，并且還會造成刀具的不必要往返行進(jìn)過程，從而影響加工制造工作的效率。3） 刀具運(yùn)行軌跡方向的統(tǒng)一特性。通常來說，曲面的法向矢量的改變幅度以及變化的快慢均和加工運(yùn)行軌跡有直接的聯(lián)系，加工運(yùn)行軌跡的差異將會對加工制造的效率及加工品質(zhì)產(chǎn)生直接的影響。為了達(dá)到提高加工制造效率及加工品質(zhì)的目的，相關(guān)工程技術(shù)人員在加工程序的編寫進(jìn)程中，需要注意法向矢量的方向以及切線方向的改變幅度需要盡可能地降低。

1.2 數(shù)控機(jī)床性能及刀具軸線控制模式

數(shù)控機(jī)床具有額定功率大及主傳動軸轉(zhuǎn)動速度高的特點(diǎn)，為了滿足高速切削復(fù)雜零件的技術(shù)要求，其主傳動軸電機(jī)功率通常大于18 kW，主軸轉(zhuǎn)動速度能夠達(dá)到8 500 r/min以上。數(shù)控機(jī)床的刀具軸線控制模式是多軸數(shù)控加工一個重要解決方案，刀具軸線進(jìn)行持續(xù)且慢速的變化是保證高精密機(jī)械加工品質(zhì)的基礎(chǔ)。刀具軸線突然發(fā)生變化將會導(dǎo)致機(jī)械加工零件出現(xiàn)過切的狀況，因此復(fù)雜曲面通常需要以順滑曲面作為刀具軸線的驅(qū)動面[3]。

2 復(fù)雜曲面零件高精密數(shù)控加工研究

2.1 復(fù)雜曲面零件特性研究

2.1.1 螺旋槳葉片表面的特性

螺旋槳葉片表面均是由形狀非常復(fù)雜的自由式曲面組成的，切線方向的曲率非常大，并且曲率分布不規(guī)則，因?yàn)椴荒茉谌S數(shù)控機(jī)床上對其進(jìn)行機(jī)械加工，所以只能使用五軸聯(lián)動高精密數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

2.1.2 螺旋槳各個葉片之間的特性

螺旋槳各個葉片之間互相重疊的區(qū)域非常多，且空間非常狹小。越接近軸心的位置直徑就越小，且通道越狹窄。在螺旋槳葉片曲面的機(jī)械加工過程中，除了必須防止刀具與加工葉片間出現(xiàn)干涉狀況以外，還需要避免刀具與葉片間出現(xiàn)碰撞或過切現(xiàn)象。

2.2 零件機(jī)械加工研究

2.2.1 零件毛坯

在螺旋槳機(jī)械加工過程中選擇的毛坯原材料是鋁合金材質(zhì)，因?yàn)殇X合金材質(zhì)的硬度較低非常易于進(jìn)行機(jī)械加工，并且不會產(chǎn)生“打刀”狀況，該機(jī)械加工原材料的屬性可以滿足機(jī)械切削加工的相關(guān)技術(shù)要求。零件毛坯的尺寸形狀如圖2所示，該零件屬于相對規(guī)則的旋轉(zhuǎn)體零件，在過渡的過程中，刀具的運(yùn)行不會受到干涉，適合進(jìn)行螺旋形式的機(jī)械加工。

2.2.2 零件加工用工裝夾具

螺旋槳葉片的橫向扭曲度較大，在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，工作平臺的轉(zhuǎn)動頻率數(shù)值較高，待加工零件的幅度較大時，相關(guān)機(jī)械工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員在進(jìn)行工裝夾具規(guī)劃設(shè)計(jì)的過程中需要留出足夠大的轉(zhuǎn)動區(qū)域，否則將會造成工作平臺與高精密數(shù)控機(jī)床刀具夾頭間出現(xiàn)碰撞及干涉的現(xiàn)象。零件夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示，該零件的結(jié)構(gòu)屬于平滑過渡的旋轉(zhuǎn)體，在刀具加工過程中不會出現(xiàn)過度的轉(zhuǎn)動和震動，轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，利于走刀運(yùn)行。

2.2.3 復(fù)雜零件的機(jī)械加工設(shè)備

相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備是由國內(nèi)某知名電氣集團(tuán)股份有限公司與北京機(jī)械設(shè)計(jì)及電機(jī)研究院合作共同研制的A-C雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動高精密數(shù)控加工機(jī)床（如圖4所示）：五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床屬于一類精密度較高、專用在復(fù)雜曲面零件加工情況的設(shè)備，現(xiàn)階段，五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床裝置是應(yīng)對葉片、葉輪、螺旋槳、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和大型曲軸等高精度零件加工的唯一加工方法。

圖4 A-C雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動高精密數(shù)控加工機(jī)床

該高精密數(shù)控機(jī)床一共有X、Y、Z3個方向可移動坐標(biāo)軸及2個A、C可轉(zhuǎn)動坐標(biāo)軸。其重要技術(shù)參數(shù)性能指標(biāo)如下所述。

主傳動軸的旋轉(zhuǎn)速度：55 r/min～8 500 r/min。X軸軸向行程數(shù)值范圍：-350 mm～350 mm。Y軸軸向行程數(shù)值范圍：-320 mm～320 mm。Z軸軸向行程數(shù)值范圍：0～280 mm。A軸轉(zhuǎn)動角度數(shù)值范圍：-45°～135°。C軸轉(zhuǎn)動角度數(shù)值范圍：-270°～360°。

圖5 為該高精密數(shù)控機(jī)床的核心結(jié)構(gòu)及重要參數(shù)示意圖。其中Om為機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)；Ow為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

圖5 數(shù)控高精密機(jī)床的核心結(jié)構(gòu)及重要參數(shù)示意圖

2.3 復(fù)雜零件機(jī)械加工過程及重要工藝技術(shù)參數(shù)

2.3.1 五軸數(shù)控機(jī)床粗加工毛坯

五軸數(shù)控機(jī)床粗加工毛坯的全部工藝技術(shù)參數(shù)如下：刀具型號為F16、機(jī)床主傳動軸的轉(zhuǎn)速為3 300 r/min、刀具進(jìn)給速度為1 250 mm/min、復(fù)雜零件曲面加工精度為0.15 mm、機(jī)械加工余量為0.65 mm。

2.3.2 進(jìn)行機(jī)械粗加工去除兩片葉片之間的余量

五軸數(shù)控機(jī)床粗加工去除兩片葉片之間余量的全部工藝技術(shù)參數(shù)如下：刀具型號為F12、機(jī)床主傳動軸的轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、刀具進(jìn)給速度為1 200 mm/min、復(fù)雜零件曲面加工精度為0.18 mm、機(jī)械加工余量為0.85 mm。

2.3.3 進(jìn)行機(jī)械粗加工去除葉片底部多余偏差

機(jī)械粗加工去除葉片底部多余偏差五軸粗加工全部工藝技術(shù)參數(shù)如下：刀具型號為F10、機(jī)床主傳動軸的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、刀具進(jìn)給速度為1 000 mm/min、復(fù)雜零件曲面加工精度為0.2 mm、機(jī)械加工余量為0.8 mm。

3 結(jié)語

綜上所述，該文以飛機(jī)螺旋槳葉面制造為例，對零件、車床及所使用的刀具進(jìn)行了研究，制定了葉輪科學(xué)的機(jī)械加工方案，并且完成了刀具精密加工的過程，模擬仿真后獲取的數(shù)控加工源代碼，使用五軸高精密數(shù)控機(jī)床加工符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的零件。研究了高速切削加工的重要因素，從數(shù)控機(jī)床加工軌跡等方面闡述了機(jī)械加工過程中的技術(shù)要求，為復(fù)雜曲面零件的機(jī)械加工提供了重要的參考。