三軸聯動數控機床上加工空間曲面的實現方法
在機械制造領城中，曲面加工是一直較為困難的，隨著產品發展，設計部門采用曲面結構越來越多。因此針對曲面加工進行工藝研究是一項重要和迫切的工作。采用五軸聯動加工不僅僅對編程軟件要求較高，而且對機床的要求也很高。這樣會使產品的生產成本大幅度的上升，本文通過對某曲面零件（見圖1）的實際加工研究，提出一種不僅僅適用于五軸聯動機床，而且能夠適合普通數控設備的加工方法。
圖1
1 零件圖該零件上表面是z=±（x2+y2）?k在曲面中的一段，其底平面平行于曲面上中分母線，且母線在該平面上投影到曲面兩端距離相等。2 加工工藝分析 傳統加工工藝分析 傳統加工回轉體零件在車床上進行加工，此種方法雖然需要非常復雜的工裝夾具，可是其加工精度較高，但此加工方法受到零件尺寸影響較大，圖1所示零件，零件的回轉半徑較大，所需的車床加工范圍較大。由于我單位沒有這種型號的車床，因此該零件無法采用車削加工。如果所加工的零件是由其它曲線旋轉成的曲面時（如：雙曲線、拋物線等），需要采用數控車床進行編程加工。 實際加工工藝（數控銳床加工） 一般復雜曲面段加工需采用五軸聯動加工中心，在加工中五軸同時插補完成曲面；也可以利用三軸聯動機床加工曲線擬合曲面的方法，即刀具在加工中完成多條曲線，并適當選取曲線之間的間距使其擬合成為所需的曲面。（此種方法具有一定的局限性）。
附表 3種加工工藝對比分析 數控車床加工 五軸聯動加工中心 數控銑床加工工藝
1）加工精度較高
2）加工直徑限制
3）手工編程
4）成本較低
5）只適合回轉體零件 1）加工精度較高
2）零件尺寸限制
3）編程軟件
4）成本較高
5）空間任意曲面 1）加工精度低
2）零件尺寸限制
3）手工編程
4）成本較低
5）空間曲面（有局限性）
3種加工工藝對比（見附表）3 工藝路線選擇中的問題及解決方法理論上，復雜曲面段加工需采用五軸聯動加工中心加工，加工時球面銑刀的軸線必須始終和曲面的法向重合；也可采用曲線擬合曲面的加工方式進行，加工時采用球面銑刀，并且銑刀的理想中心線始終和所分解的曲線重合。在實際加工中存在以下問題。 工藝路線中主要存在的加工難題 解決方法 軟件 采用五軸聯動機床進行加工，首先需要通過繪圖軟件建立零件空間模型，然后通過生成加工刀軌文件源代碼，zui后利用后置處理軟件程序將刀軌文件源代碼轉換為機床所能夠識別的機床代碼，再將該程序輸入至機床中進行加工。但由于能夠轉換為五軸聯動程序的后里處理軟件較為復雜，我單位目前還無法完成該軟件的開發，因此不能采用此種程序設計方法。采用手工編程其加工的精度主要取決于單位面積中選取加工點的數量。 采用三軸聯動曲線擬合曲面的編程方法完成該零件的加工。該方法需要使用手工編程，因此需要大量的手工計算，合理選取插入點的數量保證加工精度。由于在該曲面選取大量的插入點，因此這樣采用手工編程往往不能保證計算的準確性。容易出現錯誤，同時無法進行程序檢查工作，由于計算量很大，因此編程時間較長，不能保證產品的生產周期。采用該種方法是將刀具軸理想為一條軸線，因此在工藝設計時已經產生誤差，需要對該工藝方法的工藝設計誤差進行前期分析。以確保設計工藝方法的合理性，使之在實際加工過程中能夠保證產品精度要求。其加工精度除了工藝設計誤差主要取決于選取曲線之間的寬度。 硬件 在加工中刀具的選擇是影響零件精度的主要因素之一，刀具直徑較小可以減少誤差，但在加工中磨損十分嚴重，也無法保證產品的精度要求。 軟件（參數化編程） 由于目前我所無法采用五軸聯動軟件進行編程加工。只能通過計算采用曲線擬合曲面工藝方法，在能夠保證產品精度的情況下，根據曲面方程1，按照圖紙要求選取y、z軸的加工區間，同時采用將x、y、z軸數據參數化并按照dmu 50v機床編程要求將其輸入至程序中，這樣即可生成加工軟件。 z=±（x2+y2）?ctga （1）
式中a是圓錐的半錐角。 通過對該類型零件的加工研究，筆者認為在普通數控銑床上也可以采用曲線擬合曲面的加工方法，其編程方法可以采用語言將曲面方程參數化編人程序中，通過程序自動計算生成所需x、y、z軸的坐標點，在利用手工將程序分段依次輸入至機床進行加工。 硬件 在該零件加工過程中，實際采用了多個刀具銑削的方法，也就是使用直徑較大?16的球面銑刀進行粗加工，然后使用?12的球面銑刀進行半精加工，zui后使用?8的球面銑刀精加工零件的曲面部分。
圖2
圖3
4 實際加工中出現的問題及解決方法 誤差分析 實際加工中的誤差主要包括加工過程產生的誤差和在工藝設計過程中已經產生的誤差。由于實際加工過程中工藝系統誤差原因十分復雜（如：刀具、切削量、變形、機床振動、機床制造誤差等），而且和工藝設計誤差無關，這里就不做分析。因此只需要對工藝設計誤差進行分析。 零件工藝設計誤差主要來自兩個方面，*是工藝設計誤差的主要方面，如圖2，在零件加工過程中刀具會在圓弧方向產生過切現象，在使用這種工藝加工方法時是不可避免的，其誤差可以用公式2（此公式適用于外曲面）計算。通過工藝設計誤差公式可以看出，當刃具直徑選取較小時能夠在很大程度上減小工藝設計誤差；而另一減小誤差的因索是零件的中心角a，當a角度過大導致工藝系統設計誤差較大時，可以將曲面分成幾個曲面段，利用回轉工裝裝夾，依次加工各個曲面段，這樣加工的由各曲面段連成的整個曲面就可以得到很高的精度要求。內曲面公式可以用公式3計算。 ?=r+r-[r2+r2-2rrcos（180-a）]? （2）
?=[r2-r2+2rrcos（180-a）]?+r-r （3）
式中：r是加工點的曲率半徑 r是球面銑刀的半徑 a是加工點的中心夾角 另一誤差是刀具在沿著x軸切削產生的，這是由于刀具軸在水平移動時和x軸產生一個夾角，導致在加工過程中刀具會有過切現象，這種誤差是可以減少的，其誤差如圖3。運用公式4計算，可以通過減小刀具直徑。至于圖3中b角的影響可以通過在加工中合理采用工裝裝夾有效地減小，當然此時曲面方程1也將改變。當加工其它曲面時由于在x軸方向始終會產生過切現象因此合理選擇旋轉角度就成為影響工藝設計精度的主要因素。 ?=r-rcosb （4）
式中：r是加工時球面銑刀的半徑 b是加工過程中切削點與水平面的夾角 通過對工藝系統設計誤差分析發現，影響零件精度的幾個主要因家是刀具直徑、曲面中心角、x軸夾角。通過合理選擇這些條件，可以利用手工編程得到較高精度的產品。 切削方法和參數選擇 在加工該零件時通過計算發現，由于選取點較多，按正常加工執行一次程序往往需要24小時，而采用從粗銑到精銑一次裝夾完成的時間達到了48小時，因此在加工中使用粗精加工分開的方法。粗銑時選取插入點較少的程序，同時由于切削量較大，所以選取機床轉速較低、進給較慢；精銑時為保證零件的精度，插入點較多，因而選取機床轉速較高、進給較快。5 加工工藝結果盡管這是我單位*次加工曲面結構的零件，但通過使用這種方法加工該零件，得到合格的產品，說明此種工藝設計方法在一些曲面加工中是可行的，但由于在工藝方法設計過程中已經產生了誤差，所以首先要對產品的加工誤差進行分析，確保滿足設計要求時才能使用。同時在零件要求較高時不能采用這種工藝方法6 適用范圍此種加工方法不僅僅適用于回轉體曲面加工，而且適用于其它空間曲面，但是這種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；其次零件曲面的各點曲率值不能太大；zui后由于采用定點加工的方法，在加工過程中會出現過切現象，因此需要計算zui大誤差值，以保證圖紙要求，當然可以采用各種工裝夾具（如：分度頭、工裝夾具）配合使用，使曲面分解為曲面段相連接即可完成整個曲面的加工。當然如果采用變切削點進行加工零件的精度將有較大的提高。如果圖2中的a較大導致誤差時可以將零件旋轉一個角度選取誤差較小的方向即可，當然零件的方程也需要相應的進行旋轉。
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?=[r2-r2+2rrcos（180-a）]?+r-r （3）
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