弓弦切曲線喇叭制造工藝研究

■中國電科集團第38研究所 （安徽合肥 230088） 何章峰 鄭 杰 馬數(shù)和

弓弦切曲線喇叭制造工藝研究

■中國電科集團第38研究所 （安徽合肥 230088） 何章峰 鄭 杰 馬數(shù)和

摘要：弓旋切曲線喇叭結(jié)構(gòu)復雜、精度高，普通設備加工困難。通過發(fā)掘現(xiàn)有設備潛能，進行工藝優(yōu)化，取得了較好的加工結(jié)果。

零件內(nèi)腔由光滑曲線組成，因此普通機床無法加工成形。根據(jù)現(xiàn)有設備，選擇加工精度高、運算速度快、加工效率高的哈挺QUEST 8/51數(shù)控車床加工。結(jié)合多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，開創(chuàng)性地編制出可以實現(xiàn)變量賦值，還可以進行邏輯運算的宏程序，實現(xiàn)了曲線加工。另外，利用工件轉(zhuǎn)換、表格式計算等方法，克服了深孔小腔體的測量難點，最終所有尺寸均滿足圖樣要求。

1. 工藝方案比較

零件外形一端為長95mm、φ69-0.1-0.2mm―48.50-0.1mm×48.50-0.1mm漸變矩圓變換體（見圖1），尾部φ43mm內(nèi)腔為y=1.75+0.145x+ 1 7 . 9 7 5 e x p（0 . 0 9 2 x - 1）/ （exp8.94-1），x∈[0，95]，弓旋切曲線喇叭腔，形式復雜，精度要求高，查看相關(guān)文獻資料，目前在國內(nèi)沒有類似設計。本項目就該喇叭腔的精密制造成形進行攻關(guān)。

針對該弓旋切曲線的結(jié)構(gòu)特點，提出兩種成形工藝方案：分段加工焊接成形和整體加工成形。下面就各自工藝特點進行分析。

（1）分段加工焊接成形：采用拼焊結(jié)構(gòu)，此加工方法將該喇叭分解為兩個部分，一部分為喇叭腔，一部分內(nèi)腔四處支耳，先將兩部分分別加工后，最后精密焊接成形（見圖2）。但是這種加工方法帶來的缺陷有以下幾點：①零件加工難度大，不易達到設計要求，無法滿足圖樣要求。②焊接尺寸不易控制，易變形，且變形后無法再次通過技術(shù)手段彌補。③加工周期長，加工成本很高。

鑒于以上缺點及多方面不可預知的因素，分段加工焊接成形的方案被放棄。

（2）整體加工成形：整體加工成形技術(shù)就是利用數(shù)控車床、數(shù)控銑床以及數(shù)控慢走絲機床的特點，針對復雜曲面進行一次加工成形。整體加工雖然程序編制較為復雜，且零件的裝夾問題有待解決，但是整體成形的零件加工變形不大，尺寸精度容易控制，在必須保證質(zhì)量的前提下，最終選擇整體加工成形方案對該喇叭進行技術(shù)攻關(guān)。

（3）兩種成形方法對比：兩種成形方法的對比如表1所示。

圖1

圖2

表1　成形方法對照表

2. 整體加工成形工藝路線設計

經(jīng)過對該喇叭腔的分析，此零件為內(nèi)部弓弦切曲線喇叭形結(jié)構(gòu)（見圖3），外形為傾斜面，內(nèi)部為喇叭與直線圓相交結(jié)構(gòu)，合理地安排工

藝方法至關(guān)重要。零件內(nèi)喇叭采用數(shù)控車利用宏程序直接車出，喇叭開口處留有裝夾法蘭，數(shù)控慢走絲分兩次切割直線段和圓錐內(nèi)腔，高速銑裝夾法蘭加工底面結(jié)構(gòu)及4處小凸臺，最后再切掉裝夾法蘭。

整體工藝路線為：粗車外圓，中心鉆孔→利用數(shù)控車粗車喇叭旋切弧形面，單邊留精加工余量0.5mm→在不改變材料狀態(tài)和硬度的情況下去應力退火→數(shù)控車精車喇叭腔旋切弧形面→數(shù)控線切割內(nèi)腔方孔及筋條→數(shù)控銑內(nèi)腔2處圓支柱→鏜孔。

整個加工過程的關(guān)鍵就是如何對弓弦切曲線喇叭內(nèi)腔利用數(shù)控車床進行整體成形加工。

圖3

3. 加工設備的選擇

在數(shù)控車車床選擇上，選擇分廠內(nèi)功能齊全、精度最高的哈挺QUEST 8/51。該設備是由美國哈挺（HARDINGE）公司制造的高精度車銑復合中心，適宜于加工高精度零件。刀架的定位精度和旋轉(zhuǎn)精度很高，是一款車、銑兩用T形高精密回轉(zhuǎn)電動刀架。該車銑復合中心能夠在一臺機床上完成各種零件的車削和銑削加工，可以模塊化配置各種選項，滿足各種加工需求。

4. 曲面加工程序的編制方法選擇

非圓曲線的加工及其精度控制一直是數(shù)控車床加工的難點。因為數(shù)控編程中沒有相應的插補指令，但很多零件的輪廓上含有橢圓、雙曲線和拋物線等非圓弧曲線，采用一般的編程方法有一定的難度。本次弓弦切曲線的程序編制就是一個挑戰(zhàn)。通過對零件特點的分析，該零件最大的加工難點是如何按照提供的曲線方程，編制合適的加工程序，以達到加工該弓弦切曲線的目的。

（1）擬合法：是把曲線等分為很多段小線段或小圓弧，利用G01 G02G03直線或圓弧插補命令來擬合成相關(guān)曲線。采用圓弧擬合法計算數(shù)據(jù)大，容易產(chǎn)生錯誤。在試驗過程中，首先采用了非圓曲線通常使用的小線段擬合法，編程的基本思路是：根據(jù)曲線輪廓的解析幾何方程y=1.75+0.145x+17.975exp（0.092x-1）/（exp8.94-1），x∈[0，95]，將其中的參數(shù)x變量在它的定義域內(nèi)，從0按照0.05mm插補步進距離逐步向95變化，從而求出曲線上任意一個點的坐標值，運用宏程序的參數(shù)和轉(zhuǎn)向語句GOTO或循環(huán)語句WHILE來編程，然后用直線插補G01進行擬合加工。

根據(jù)x∈[0，95] 從0按照0.05mm插補步進距離逐步向95變化，共需計算1 900組數(shù)據(jù)。如果手動計算，則工作量非常大，而且非常容易出錯，如何簡化計算也成為編程的關(guān)鍵。實際計算時利用excel數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，對該函數(shù)進行編程，產(chǎn)生表格的數(shù)據(jù)，從而順利解決了數(shù)據(jù)計算的工作量問題，計算出的數(shù)據(jù)直接傳輸編程，同時也避免了數(shù)據(jù)錄入的差錯。

擬合法可以直觀地進行程序編制，但是程序調(diào)整起來非常麻煩，例如當需要將插補步進距離變化時，就需要重新進行計算，重新編程效率低。由于本次弓弦切曲線加工難度大，尺寸精度及表面粗糙度要求高，加工程序會經(jīng)常調(diào)整，因此在本次加工中不用擬合法進行編程。

（2）宏程序法：含有非圓曲線的曲面外形復雜，加工精度要求較高，使得手工編程難度增大。但通過先進的數(shù)控系統(tǒng)提供的宏程序就能有效提高編程速度、加工質(zhì)量和效率。使用用戶宏程序時，數(shù)值可以直接指定，也可以用變量指定。宏程序利用公式可以實現(xiàn)變量賦值，不僅可以利用表達式進行算術(shù)運算，還可以進行邏輯運算。使得編制程序在應用中更加靈活、方便。使用宏指令編程使加工程序簡練易懂，實現(xiàn)了普通編程難以實現(xiàn)的非圓曲線的加工。

結(jié)合普通程序和宏程序編程的優(yōu)缺點（見表2），根據(jù)本例實際，最終選擇利用宏程序進行編程。

表2　宏程序與普通程序?qū)Ρ缺?/p>

5. 數(shù)控車程序的編制及技巧

首先對該零件進行加工分析。在該零件中有小直徑深孔，如果排屑不暢，將嚴重影響表面粗糙度和尺寸精度。另外，弓旋切曲面兩端大小頭的尺寸精度也是重點。

該零件從大端口徑φ（67±0.05）mm向內(nèi)加工到φ（95±0.05）mm的深度，口徑變換為φ≤3.5mm的一個孔，粗加工時采用分段加工，整個曲線分為6～7個臺階加工，每加工一個臺階退出清理積屑，半精加工時采用輪廓循環(huán)方式，就是指進刀時相對零件端面后退5～10cm，每次進刀只進深度，直徑方向不變，這樣能使刀具切屑量均勻，刀頭不易損壞。

由于在實際加工中機床的中心點和機架的中心點有很大的偏差，加工大口徑內(nèi)孔時會出現(xiàn)大頭尺寸和加工程序后擬合的尺寸相符合，加工到小孔時就會出現(xiàn)小端面尺寸不對的現(xiàn)象，因此安裝刀具時要對準中心點，避免出現(xiàn)雙曲線誤差，如果還有偏差就需要通過程序進行彌補。整體加工過程如下。

（1）鉆孔：用4種直徑的鉆頭打4個臺階孔。

（2）粗車：用鏜孔刀走臺階循環(huán)加工，模擬加工出6～7個大臺階的輪廓。

（3）半精車：用鏜刀加工出曲線的大概輪廓，用曲線方程宏程序走輪廓循環(huán)，留0.3mm左右精車余量，并測量大端口徑和小端直徑的余量是否一致，曲線長度和φ3.5mm孔的底孔過渡平滑，是否因為積屑引起的擠壓造成曲線面上的尺寸精度受到影響。

（4）精加工：重新刃磨刀具和校對，調(diào)用精車循環(huán)程序，采用300 ～500r/min的低轉(zhuǎn)速，防止刀具振動，影響表面粗糙度。

6. 加工刀具的控制

弓弦切曲線喇叭腔最小段與筋條直線相交處只有φ（3.5±0.05）mm，深度則達到（95±0.05）mm。采用自制多種大小規(guī)格不等刀具分段加工，自制錐形刀桿利用數(shù)控車加工弓弦切曲線喇叭腔，刀具分為粗車和精車（見圖4）；利用刀具位置補償功能、刀尖圓弧半徑補償功能，有效地保證零件加工尺寸。

圖4

圖5

7. 檢測方法的控制

由于該零件為內(nèi)部喇叭形，測量設備采用三坐標測量儀。測量存在兩大技術(shù)難點：①工件最小部直徑僅為3.5mm，而三坐標探頭直徑一般都＞5mm，傳統(tǒng)的三坐標測量設備無法直接對最小端面進行測量?，F(xiàn)有設備無法進行直接測量。②由于喇叭面為曲線，測量時沒有固定測量點，無法按照給定的數(shù)據(jù)進行測量比對。

解決措施為：①通過轉(zhuǎn)換，將內(nèi)喇叭形轉(zhuǎn)換成圖5所示的外喇叭形，直接測量外喇叭而得出內(nèi)喇叭的尺寸，從而解決了測量

的困難。②測量時，不先固定測量點，而是采用先測量后比對的方法。找準零件基準，利用三坐標測量隨機選取20個點，記錄下Y值和Z值，利用弓旋切函數(shù)計算表，輸入Z值計算出理論Y值，通過比對理論Y值和實際Y值進行測量。

8. 結(jié)語

采用整體加工成形技術(shù)減小了加工難度并提高了產(chǎn)品可靠性，整體加工的弓弦切喇叭所有尺寸公差均滿足設計要求。通過該零件的技術(shù)攻關(guān)，極大地發(fā)揮了現(xiàn)有設備的潛能，開創(chuàng)性地完成了高難度零件的生產(chǎn)，為相關(guān)零件的加工積累了經(jīng)驗。

參考文獻：

[1] 王祝堂. 鋁合金及其加工手冊[M]. 長沙：中南大學出版社，2000.

[2] 王之康. 真空電子束焊接設備及工藝[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[3] 張啟運. 釬焊手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4] 鄒增大. 焊接材料、工藝及設備手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2000.

收稿日期：（20150415）