数控机床加工复杂空间曲面段简化方法

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在机械制造领城中，曲面加工是一直较为困难的，随着产品发展，设计部门采用曲面结构越来越多。因此针对曲面加工进行工艺研究是一项重要和迫切的工作。采用五轴联动加工不仅仅对编程软件要求较高，而且对机床的要求也很高。这样会使产品的生产成本大幅度的上升，本文通过对某曲面零件(见图1)的实际加工研究，提出一种不仅仅适用于五轴联动机床，而且能够适合普通数控设备的加工方法。
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图1

1 零件图

该零件上表面是Z=±(X²+Y²)^½k在曲面中的一段，其底平面平行于曲面上中分母线，且母线在该平面上投影到曲面两端距离相等。

2 加工工艺分析

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1. 传统加工工艺分析 传统加工回转体零件在车床上进行加工，此种方法虽然需要非常复杂的工装夹具，可是其加工精度较高，但此加工方法受到零件尺寸影响较大，图1所示零件，零件的回转半径较大，所需的车床加工范围较大。由于我单位没有这种型号的车床，因此该零件无法采用车削加工。如果所加工的零件是由其它曲线旋转成的曲面时(如：双曲线、抛物线等)，需要采用数控车床进行编程加工。 * P" D! e8 L8 U8 |6 t
2. 实际加工工艺(数控锐床加工) 一般复杂曲面段加工需采用五轴联动加工中心，在加工中五轴同时插补完成曲面；也可以利用三轴联动机床加工曲线拟合曲面的方法，即刀具在加工中完成多条曲线，并适当选取曲线之间的间距使其拟合成为所需的曲面。(此种方法具有一定的局限性)。
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   附表 3种加工工艺对比分析

   数控车床加工	五轴联动加工中心	数控铣床加工工艺
   1)加工精度较高 2)加工直径限制 3)手工编程 4)成本较低 5)只适合回转体零件	1)加工精度较高 2)零件尺寸限制 3)专用编程软件 4)成本较高 5)空间任意曲面	1)加工精度低 2)零件尺寸限制 3)手工编程 4)成本较低 5)空间曲面(有局限性)

3. 3种加工工艺对比(见附表)

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3 工艺路线选择中的问题及解决方法

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理论上，复杂曲面段加工需采用五轴联动加工中心加工，加工时专用球面铣刀的轴线必须始终和曲面的法向重合；也可采用曲线拟合曲面的加工方式进行，加工时采用专用球面铣刀，并且铣刀的理想中心线始终和所分解的曲线重合。在实际加工中存在以下问题。

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1. 工艺路线中主要存在的加工难题
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   1. 软件 采用五轴联动机床进行加工，首先需要通过专用绘图软件建立零件空间模型，然后通过生成加工刀轨文件源代码，最后利用后置处理软件程序将刀轨文件源代码转换为机床所能够识别的机床代码，再将该程序输入至机床中进行加工。但由于能够转换为五轴联动程序的后里处理软件较为复杂，我单位目前还无法完成该软件的开发，因此不能采用此种程序设计方法。采用手工编程其加工的精度主要取决于单位面积中选取加工点的数量。
      采用三轴联动曲线拟合曲面的编程方法完成该零件的加工。该方法需要使用手工编程，因此需要大量的手工计算，合理选取插入点的数量保证加工精度。由于在该曲面选取大量的插入点，因此这样采用手工编程往往不能保证计算的准确性。容易出现错误，同时无法进行程序检查工作，由于计算量很大，因此编程时间较长，不能保证产品的生产周期。采用该种方法是将刀具轴理想为一条轴线，因此在工艺设计时已经产生误差，需要对该工艺方法的工艺设计误差进行前期分析。以确保设计工艺方法的合理性，使之在实际加工过程中能够保证产品精度要求。其加工精度除了工艺设计误差主要取决于选取曲线之间的宽度。
   2. 硬件 在加工中刀具的选择是影响零件精度的主要因素之一，刀具直径较小可以减少误差，但在加工中磨损十分严重，也无法保证产品的精度要求。
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2. 解决方法 0 U+ `1 P9 ?" u2 Y6 z
   1. 软件(参数化编程) 由于目前我所无法采用五轴联动软件进行编程加工。只能通过计算采用曲线拟合曲面工艺方法，在能够保证产品精度的情况下，根据曲面方程1，按照图纸要求选取Y、Z轴的加工区间，同时采用将X、Y、Z轴数据参数化并按照DMU 50V机床编程要求将其输入至程序中，这样即可生成加工软件。 / t' k. e/ a* v+ g8 F+ G

      Z=±(X2+Y2)½ctga

      (1)

      式中a是圆锥的半锥角。 / r. Z) L, V% Q
      通过对该类型零件的加工研究，笔者认为在普通数控铣床上也可以采用曲线拟合曲面的加工方法，其编程方法可以采用高级语言将曲面方程参数化编人程序中，通过程序自动计算生成所需X、Y、Z轴的坐标点，在利用手工将程序分段依次输入至机床进行加工。
   2. 硬件 在该零件加工过程中，实际采用了多个刀具铣削的方法，也就是使用直径较大Ø16的球面铣刀进行粗加工，然后使用Ø12的球面铣刀进行半精加工，最后使用Ø8的球面铣刀精加工零件的曲面部分。

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图2

图3

4 实际加工中出现的问题及解决方法

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2 B; A# m8 r1 G7 Y2 s! n, W' _: ^1 z
1. 误差分析 实际加工中的误差主要包括加工过程产生的误差和在工艺设计过程中已经产生的误差。由于实际加工过程中工艺系统误差原因十分复杂(如：刀具、切削量、变形、机床振动、机床制造误差等)，而且和工艺设计误差无关，这里就不做分析。因此只需要对工艺设计误差进行分析。
   零件工艺设计误差主要来自两个方面，第一是工艺设计误差的主要方面，如图2，在零件加工过程中刀具会在圆弧方向产生过切现象，在使用这种工艺加工方法时是不可避免的，其误差可以用公式2(此公式适用于外曲面)计算。通过工艺设计误差公式可以看出，当刃具直径选取较小时能够在很大程度上减小工艺设计误差；而另一减小误差的因索是零件的中心角a，当a角度过大导致工艺系统设计误差较大时，可以将曲面分成几个曲面段，利用回转工装装夹，依次加工各个曲面段，这样加工的由各曲面段连成的整个曲面就可以得到很高的精度要求。内曲面公式可以用公式3计算。 9 O. L/ P3 K w( ?, ~: h) w' y. c4 [0 P$ J& T8 E/ q3 @ u) W# m* S1 q/ W% X7 b6 ^. n0 ~9 i2 h4 u; _5 ?+ ~8 \! v' z

   ∆=R+r-[R2+r2-2Rrcos(180-a)]½	(2)
   ∆=[R2-r2+2Rrcos(180-a)]½+r-R	(3)

   式中：R是加工点的曲率半径 + ]8 H, G# n* W, T8 P
   r是球面铣刀的半径
   a是加工点的中心夹角 2 K) w: G) ?7 a$ m- Z+ h% N; Z
   另一误差是刀具在沿着X轴切削产生的，这是由于刀具轴在水平移动时和X轴产生一个夹角，导致在加工过程中刀具会有过切现象，这种误差是可以减少的，其误差如图3。运用公式4计算，可以通过减小刀具直径。至于图3中b角的影响可以通过在加工中合理采用工装装夹有效地减小，当然此时曲面方程1也将改变。当加工其它曲面时由于在X轴方向始终会产生过切现象因此合理选择旋转角度就成为影响工艺设计精度的主要因素。

   ∆=r-rcosb

   (4)

   式中：r是加工时球面铣刀的半径 ' X! b, y8 c; ?) _
   b是加工过程中切削点与水平面的夹角
   通过对工艺系统设计误差分析发现，影响零件精度的几个主要因家是刀具直径、曲面中心角、X轴夹角。通过合理选择这些条件，可以利用手工编程得到较高精度的产品。
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2. 切削方法和参数选择 在加工该零件时通过计算发现，由于选取点较多，按正常加工执行一次程序往往需要24小时，而采用从粗铣到精铣一次装夹完成的时间达到了48小时，因此在加工中使用粗精加工分开的方法。粗铣时选取插入点较少的程序，同时由于切削量较大，所以选取机床转速较低、进给较慢；精铣时为保证零件的精度，插入点较多，因而选取机床转速较高、进给较快。

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5 加工工艺结果

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尽管这是我单位第一次加工曲面结构的零件，但通过使用这种方法加工该零件，得到合格的产品，说明此种工艺设计方法在一些曲面加工中是可行的，但由于在工艺方法设计过程中已经产生了误差，所以首先要对产品的加工误差进行分析，确保满足设计要求时才能使用。同时在零件要求较高时不能采用这种工艺方法

6 适用范围

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此种加工方法不仅仅适用于回转体曲面加工，而且适用于其它空间曲面，但是这种加工方法也有一定的局限性：首先，零件的尺寸精度和形位公差要求不高；其次零件曲面的各点曲率值不能太大；最后由于采用定点加工的方法，在加工过程中会出现过切现象，因此需要计算最大误差值，以保证图纸要求，当然可以采用各种工装夹具(如：万能分度头、工装夹具)配合使用，使曲面分解为曲面段相连接即可完成整个曲面的加工。当然如果采用变切削点进行加工零件的精度将有较大的提高。如果图2中的a较大导致误差时可以将零件旋转一个角度选取误差较小的方向即可，当然零件的方程也需要相应的进行旋转。

【MechNet】