提升數(shù)控機(jī)床復(fù)雜曲面零件加工效率

中航工業(yè)空空導(dǎo)彈研究院凱邁機(jī)電公司

（河南洛陽(yáng) 471003） 劉仁春 袁維濤

對(duì)于復(fù)雜零件的加工表面，粗加工的主要目的是切除大量的加工材料；半精加工指粗加工切削之后，到精加工切削余量之前的切削，主要是切除粗加工留下的不均勻的材料余量；精加工主要是保證零件的最終尺寸，切除半精加工留下的基本均勻的極少的余量。本文從加工工藝方案、刀具控制、走刀路線和進(jìn)給速度的自動(dòng)優(yōu)化、高速切削以及自適應(yīng)控制、加工機(jī)床、數(shù)控程序編制、加工過程的仿真等方面研究復(fù)雜曲面的加工優(yōu)化方法，主要有以下幾個(gè)方面。

1.復(fù)雜曲面加工方法

（1）寬行加工方法 依據(jù)宏域曲率吻合的原則，利用公差帶原理，采用圓環(huán)刀寬行線接觸加工代替球頭刀窄行點(diǎn)接觸加工，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面數(shù)控加工優(yōu)化。

（2）側(cè)銑加工代替點(diǎn)加工 點(diǎn)銑的問題在于消耗的時(shí)間多，加工后表面會(huì)留下帶有刻痕的扇貝面，需要再投入很多時(shí)間進(jìn)行拋光，才能提高加工質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種加工方法的手工加工時(shí)間占到總加工時(shí)間的40%～50%導(dǎo)致成本大幅度增加。

側(cè)銑可以認(rèn)為是寬行加工的特例。與點(diǎn)銑相比，側(cè)銑有很多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)省加工時(shí)間，降低成本，加工表面質(zhì)量好等。但側(cè)銑有一定的局限，加工表面為直紋面。

（3）插銑加工法 插銑加工是復(fù)雜曲面金屬曲面切削實(shí)現(xiàn)高切除率的有效方法之一。對(duì)難加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具懸伸長(zhǎng)度較大的加工，插銑法的加工效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的銑削方法。在需要快速切除大量金屬材料時(shí)，采用插銑加工時(shí)間大幅縮短。此外，插銑加工還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①側(cè)向力小，減小了零件的變形。②加工中作用于銑床的徑向切削力較低，使主軸剛度不高的機(jī)床仍可使用而不影響工件的加工質(zhì)量。③刀具懸伸長(zhǎng)度較大，適合工件深槽的加工，也適合于對(duì)高溫合金等難切削的材料進(jìn)行切槽加工。

插銑法最大的特點(diǎn)是非常適合粗加工，特別是適合于有復(fù)雜幾何形狀航空零件（葉輪）的粗加工，可以從頂部一直銑削到根部，銑削深度可達(dá)250mm而不會(huì)發(fā)生振顫或扭曲變形，加工效率高，是粗加工復(fù)雜曲面航空零件的優(yōu)選方法之一。

（4）刀路軌跡優(yōu)化 復(fù)雜曲面加工的刀路軌跡設(shè)計(jì)非常重要，對(duì)于圓柱端面凸輪的幾何形狀，采用多層加工方法，對(duì)于余量較大的區(qū)域進(jìn)行局部加工，完成了對(duì)復(fù)雜曲面凹槽加工的預(yù)先處理后，再采用小尺寸刀具對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行加工，平衡粗加工、半精加工、精加工的加工用量。

對(duì)于曲面不同的部位采取不同的刀軌設(shè)計(jì)，如加工圓柱端面凸輪凹槽、圓柱端面凸輪突出部、凸凹過渡處等可分別采取不同的走刀方法，靈活應(yīng)用側(cè)銑、點(diǎn)銑等方法，從而提高加工效率。

（5）進(jìn)給率優(yōu)化 復(fù)雜曲面加工中，在刀具路徑中對(duì)每一次切削進(jìn)給率設(shè)定非常重要，加工前確定和設(shè)置最佳進(jìn)給率很困難。不適合的進(jìn)給率會(huì)導(dǎo)致切削刃崩刃，夾具損壞或劃傷零件，通常進(jìn)給率大小是考慮刀具壽命和所能出現(xiàn)的最差的切削條件。

當(dāng)切削時(shí)遇到最大切削量和最惡劣切削條件時(shí)，使用這些最差條件下的進(jìn)給率是合適的。但是通常條件下，多次走刀都采用這種最差條件下的進(jìn)給率得不償失，進(jìn)給速度過低，切削效率降低，切削效率降低，成本增加，零件表面質(zhì)量惡化。

最好的辦法是，切削量大時(shí)，刀具進(jìn)給率降低；切削量小時(shí)，進(jìn)給率相應(yīng)地提高。因此，要根據(jù)實(shí)時(shí)切削量的不同，選擇進(jìn)給不同的進(jìn)給率，而無(wú)需改變軌跡，實(shí)現(xiàn)切削加工進(jìn)給率的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

（6）五軸加工刀軸運(yùn)動(dòng)控制方法 五坐標(biāo)加工，由于具有5個(gè)自由度，刀具可以在空間運(yùn)動(dòng)，就可以加工出極其復(fù)雜的形狀。然而，刀具運(yùn)動(dòng)控制不當(dāng)，不僅增大加工誤差，表面質(zhì)量降低，而刀軸與工件之間還可能發(fā)生干涉。

在實(shí)際加工中，應(yīng)根據(jù)加工表面的形狀，選擇適當(dāng)?shù)南拗品椒刂萍庸み\(yùn)動(dòng)中刀具投射矢量，使得刀具運(yùn)動(dòng)方向變化均勻，以控制刀軸變化的劇烈程度，有效地提高加工質(zhì)量。

（7）高速切削加工 高速切削加工能有效地提高加工效率和質(zhì)量，降低成本，縮短開發(fā)周期。高速切削不僅是切削速度的提高，而是需要制造技術(shù)全面進(jìn)步才能達(dá)到切削速度和進(jìn)給率的成倍提高，并帶動(dòng)傳統(tǒng)切削工藝的變革和創(chuàng)新。因此，刀具軌跡需要重新優(yōu)化，通過特殊的高速銑功能，如限制逆銑、圓弧轉(zhuǎn)角、螺旋切削、圓弧進(jìn)刀和退刀、轉(zhuǎn)角區(qū)進(jìn)給速率控制等，實(shí)現(xiàn)最大化的進(jìn)給速率。在高速銑切削工藝中，要盡量減少退刀、刀具重新定位和重新進(jìn)給等動(dòng)作。

2.加工工序合理安排

復(fù)雜曲面類零件加工時(shí)，需要根據(jù)后續(xù)工序安排將毛坯先進(jìn)行預(yù)加工。先去除大余量，中間工序根據(jù)需要可以安排合適的熱處理時(shí)效工序，對(duì)加工中生成的應(yīng)力進(jìn)行釋放。仔細(xì)研究工序間的相互影響，必要時(shí)需要在零件上增加工藝臺(tái)、工藝孔、工藝定位面輔助對(duì)零件進(jìn)行快速的定位、找正和測(cè)量。在機(jī)床上設(shè)置快速裝夾定位用的工裝夾具，以便方便完成零件在機(jī)床上的裝夾。首先在編制程序和工序設(shè)計(jì)中工藝基準(zhǔn)和設(shè)計(jì)零件的基準(zhǔn)盡可能重合，原點(diǎn)設(shè)置方式統(tǒng)一，盡量減少加工過程的換刀次數(shù)；其次在工裝夾具上設(shè)置刀具和坐標(biāo)系定位塊，避免發(fā)生刀具和坐標(biāo)系錯(cuò)誤。

設(shè)置刀具對(duì)刀塊，并且通過編程將刀具信息調(diào)入程序，在后置處理過程中自動(dòng)增加刀具的檢測(cè)程序，如果檢測(cè)結(jié)果有異常則終止后續(xù)加工，采用對(duì)刀儀自動(dòng)對(duì)刀具相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)整相關(guān)刀具程序直至故障消除才可以繼續(xù)加工。

3.加工機(jī)床的選擇與運(yùn)用

從機(jī)床－夾具－刀具組成的工藝系統(tǒng)來(lái)看，高轉(zhuǎn)速機(jī)床動(dòng)靜剛度較高、機(jī)床熱穩(wěn)定的影響需進(jìn)行控制，盡量將影響控制在不影響零件加工的范圍；加工中心機(jī)床進(jìn)行復(fù)雜曲面零件加工時(shí)最好選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)。加工中心機(jī)床應(yīng)配有高壓冷卻系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行充分冷卻。

夾具需要既有高的夾持力又需要有足夠的剛度，避免在加工中因機(jī)床切削零件過程中發(fā)生振動(dòng)，影響零件加工表面粗糙度和尺寸精度，甚至有發(fā)生刀具、零件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。刀具方面需要注意選擇適合進(jìn)行高速加工的刀具，一般選擇為耐磨帶涂層的硬質(zhì)合金銑刀。我公司現(xiàn)場(chǎng)使用的有山特維克可樂滿、山高等品牌刀具加工效果較好；刀柄選擇為雙面定位并且進(jìn)行動(dòng)平衡過的BBT或HSK刀柄提高高速加工時(shí)刀具系統(tǒng)的穩(wěn)定性。減小機(jī)床－夾具－刀具組成的工藝系統(tǒng)原因?qū)α慵庸べ|(zhì)量和效率的不利影響。

4.數(shù)控程序的編制與優(yōu)化

曲面類零件加工需要在3～5軸的機(jī)床上進(jìn)行加工，這樣就需要我們根據(jù)零件的幾何形狀和尺寸選擇具體的加工方式，一般的原則是能保證加工質(zhì)量的情況時(shí)，盡量選擇軸數(shù)少的加工中心機(jī)床進(jìn)行加工。這樣可以不用選擇昂貴的五軸設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資就可以完成加工任務(wù)。并且可以減少編程的困難，同時(shí)節(jié)省數(shù)控程序運(yùn)行時(shí)間，提高加工效率。

數(shù)控程序的編制實(shí)現(xiàn)方式：①用U G、Cre1.0、CATIA等三維軟件進(jìn)行建模然后，用以上軟件的后置程序生成加工程序進(jìn)行加工。②手工編程對(duì)于曲面加工來(lái)說(shuō)需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后根據(jù)零件加工要求結(jié)合仿真軟件驗(yàn)證手工編程的加工誤差進(jìn)行程序調(diào)整。相對(duì)而言，手工編程簡(jiǎn)單的可以采用數(shù)學(xué)公式來(lái)完成，復(fù)雜的尤其是對(duì)不規(guī)則曲面采用宏程序編制程序。用數(shù)學(xué)方法編制的程序邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，程序段精煉，加工時(shí)程序占用機(jī)床內(nèi)存較少，機(jī)床執(zhí)行程序的效率較高。但對(duì)編程者的數(shù)學(xué)建模能力要求較高。比較以上兩種編程實(shí)現(xiàn)方式，如果對(duì)于曲面復(fù)雜手工編程較困難的一般采用三維軟件進(jìn)行建模然后，可以用相關(guān)軟件的后置程序生成加工程序進(jìn)行加工；如果曲面零件可以手工編程還是盡量采用數(shù)學(xué)方法編制的程序或宏程序，這樣對(duì)提高加工效率有好處。

5.加工過程仿真模擬（CAD/CAM）

使用UG、Cre1.0、CATIA等三維軟件進(jìn)行建模，然后用以上軟件的后置程序生成加工程序進(jìn)行加工。Vericut或Cimatron是進(jìn)行數(shù)控程序模擬、仿真、驗(yàn)證和優(yōu)化的軟件，可以替代我們檢驗(yàn)NC程序運(yùn)行過程，還可以用設(shè)計(jì)模型與仿真加工模型的比對(duì)功能，定量分析仿真加工模型。選用相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床類型，利用仿真軟件的自動(dòng)對(duì)比功能，將三維軟件編程或宏程序加工的零件和三維軟件建立的模型對(duì)比，符合圖樣要求。最后將編好的程序在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，就可得到合格的產(chǎn)品。