三軸曲面數控加工工藝參數的優化研究*

馮 慶 ， 陳 聰 ， 鄭雪飛 ， 朱 勤

（1.浙江省衢州中等專業學校，浙江 衢州 324000；2.浙江赫科智能裝備有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

由于計算機的高計算速度與高精度等優點，數控機床在不斷地向智能化發展。相對于傳統的平面加工，三維聯動有它自己的先進性和優越性[1]。但是相對于現在不斷發展的四軸聯動加工、五軸聯動加工而言，它又屬于一項基礎的曲面加工方法。三坐標曲面加工的刀具運動軌跡在理論上是由刀具與曲面的嚙合關系所確定的復雜曲線[2]，但由于CNC系統插補能力的限制，該連續光滑軌跡只能用一系列的小直線段進行離散逼近（即用微分的思想進行分割求和），再由CNC控制機床的三個坐標軸做線性插補運動來近似包絡成型。通過理論和實踐證明，離散步長過大將使輪廓的理論加工精度降低，一階不連續性使表面質量惡化，后續處理工作量加大，整體效率降低[3-4]。但走刀步長過小又將導致零件程序膨脹，編程效率下降，并加劇進給速度波動和平均速度的下降，從而影響加工效率和表面質量[4-5]。

總之，三維聯動曲面加工已不再是最先進的加工方法，現在的四軸聯動、五軸聯動已成為新的主流。所以對于曲面加工的研究，就應從基礎的三維聯動進行研究開始。

1 研究方法

1.1 三維聯動曲面加工流程

數控編程的主要任務是計算加工走刀中的刀位點。各種加工類型用于各種復雜零件的粗精加工，人們可以根據零件結構、加工表面形狀和加工精度要求，選擇合適的加工類型。對于不同的加工類型，數控編程過程都需經過獲取零件模型、加工工藝分析及規劃、完善零件模型、設置加工參數、生成數控刀路徑、檢驗數控刀路徑和生成數控程序七個步驟[6-8]。三維數控編程流程圖如圖1所示。

圖1 三維數控編程流程圖

1.2 三維聯動數控刀具軌跡設計

機床上的刀具和工件間的相對運動，稱為表面成形運動，簡稱成形運動或切削運動[9-10]。數控加工是指數控機床按照數控程序所確定的軌跡（稱為數控刀軌）進行表面成形運動，從而加工出產品的表面形狀。圖2是一個平面輪廓加工示意圖，圖3是一個曲面加工實圖。

圖2 平面輪廓加工剖切示意圖

圖3 曲面加工實圖

由圖3可知，刀具的表面成形運動通常分為主運動和進給運動。主運動指機床的主軸轉動，其運動質量主要影響產品的表面光潔度。進給運動是主軸相對工件的平動，其傳動質量直接關系到機床的加工性能。進給運動的速度和主軸轉速是刀具切削運動的兩個主要參數，對加工質量、加工效率有重要的影響。

1.3 加工程序設計優化

1）外形銑削程序：

2）等高環切粗加工程序：

3）銑削參數如表1所示。

表1 銑削參數

2 結論

綜上所述，三維聯動曲面加工過程中，銑削殘留量高度是影響加工表面粗糙度的主要因素，是CAD/CAM中確定刀具以及其他切削參數的重要依據，往往通過控制它的大小來控制表面加工質量。但是目前確定球頭刀銑削殘留高度的方法大多建立在估算的計算公式上，卻不能很好地定性在其他外界因素變化的基礎上。所以，在計算機技術進一步發展、CAD/CAM技術進一步完善的基礎上，通過研究進一步得出更為貼近實際的精確計算公式來確定表面殘留量將是下一步工作的重點，并希望對零件表面進行殘留量檢測的工具和方法能進一步大眾化和精確化。