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      摘要：針對(duì)三軸數(shù)控?zé)o法實(shí)現(xiàn)復(fù)合曲面加工的問(wèn)題，提出在三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床上增設(shè)數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)，以有效拓展其加工能力的解決方案。

  
       0 引言

      隨著科技的不斷發(fā)展，各類(lèi)異型曲面的零部件產(chǎn)品的應(yīng)用日益廣泛。對(duì)于復(fù)合曲面加工，多采用四軸或者五軸數(shù)控加工設(shè)備， 但該類(lèi)設(shè)備購(gòu)置周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，大幅提升了加工成本。傳統(tǒng)的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工設(shè)備價(jià)格相對(duì)較低、使用操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)，但是由于受到三軸直線運(yùn)動(dòng)軌跡的限制，無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的復(fù)合曲面加工任務(wù)。

      在典型復(fù)合曲面外形加工中，采用普通的三軸數(shù)控機(jī)床，配合機(jī)床附件———數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)有效擴(kuò)展其加工能力，可實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)的加工方式，在完成產(chǎn)品外型面整體加工的同時(shí)， 提高了設(shè)備利用率。

      1 、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

      某零件外型面為典型的偏心斜頸結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品包括底部和頸部?jī)刹糠?，底部由圓柱段及橢球型面組合而成，頸部圓柱段相對(duì)于底部中軸線偏心放置，兩者軸線之間存在一定夾角，各基本型面之間由過(guò)渡圓角連接而成。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

      圖1 異型收斂段絕熱層結(jié)構(gòu)

      由于產(chǎn)品外型面由底部橢球型面與頸部偏心斜置圓柱面相貫而成，因此采用常規(guī)的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工方法會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：局部產(chǎn)生加工死角；采用專(zhuān)用工裝多次換位裝夾，重復(fù)定位誤差大；多次加工接刀印記明顯；產(chǎn)品加工周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。

      2 、加工工藝設(shè)計(jì)

  
      通過(guò)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)分析可知，該工件以回轉(zhuǎn)體為基體生成，且兩端相對(duì)偏置的回轉(zhuǎn)體在連接處生成了空間不可展曲面， 因此在不借助專(zhuān)用工裝的情況下，必須采用四軸聯(lián)動(dòng)的加工方式來(lái)完成整體外形面的數(shù)控加工。如果在三軸數(shù)控加工機(jī)床上增加旋轉(zhuǎn)軸，使得工件和刀具之間可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即可有效地解決上述諸多問(wèn)題，一次裝夾即可完成多處異型面的生產(chǎn)加工，在降低生產(chǎn)成本、提升勞動(dòng)效率的同時(shí)全面提升產(chǎn)品質(zhì)量。

      2.1 數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)的應(yīng)用

      數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)為機(jī)床附件，主體為花盤(pán)式結(jié)構(gòu)，臺(tái)面均布六條向心螺栓安裝T 型槽，用于裝夾產(chǎn)品。數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)作為機(jī)床的一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸， 通過(guò)電氣控制實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的同步控制， 可實(shí)現(xiàn)0~360°的圓周回轉(zhuǎn)，并且可以與其他坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，使主軸上的刀具能加工到工件除安裝面及頂面之外的周邊部分， 除了用來(lái)進(jìn)行各種圓弧加工或與直線坐標(biāo)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)進(jìn)行曲面加工外，還可以實(shí)現(xiàn)精確的自由分度［1］。因利用數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)進(jìn)行零件裝夾， 可較好地?cái)U(kuò)展三軸數(shù)控設(shè)備，完成四軸聯(lián)動(dòng)方式。數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)物圖如圖2所示。

      圖2 數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)物圖

      由于數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)的應(yīng)用，在原本的三軸直線運(yùn)動(dòng)軌跡基礎(chǔ)上增設(shè)了旋轉(zhuǎn)軸， 四軸聯(lián)動(dòng)方式下加工時(shí)，工件相對(duì)與刀具的位置不僅可以在X、Y、Z 三軸方向上聯(lián)動(dòng)，同時(shí)也能繞回轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀具可以到達(dá)零件圓周表面上的任意位置點(diǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)A 軸與其他三軸的組合聯(lián)動(dòng)， 固定在其上的工件除底面之外，其余各表面均可由立式主軸進(jìn)行加工，可加工出復(fù)雜的空間曲面，切削余量相對(duì)均勻，滿(mǎn)足對(duì)工件表面給定的峰谷深度的需要，擴(kuò)展原有設(shè)備加工范圍，可以獲得較好的加工精度和表面質(zhì)量。三軸數(shù)控機(jī)床擴(kuò)展為四軸聯(lián)動(dòng)示意圖見(jiàn)圖3。

      圖3 三軸數(shù)控機(jī)床擴(kuò)展為四軸聯(lián)動(dòng)示意圖

      2.2 數(shù)字建模

      零件的數(shù)字化建模使用MasterCAM 軟件來(lái)完成。對(duì)于復(fù)雜的空間型面建模， 需通過(guò)多曲面結(jié)合方式，根據(jù)曲面熔接技術(shù)，將組成型面的各基本曲面連接起來(lái)，形成一個(gè)圖形元素，產(chǎn)生單一曲面模型。

      編制高質(zhì)量的多軸加工程序， 以控制走刀方式、刀具運(yùn)動(dòng)和刀軸方向。此外，通過(guò)設(shè)置多種選項(xiàng)，控制刀具在走刀進(jìn)程中的前、后傾角及左右擺角，改變刀具的受力情況，提升表面質(zhì)量，避免刀頭、刀桿與工件表面碰撞。

      2.3 刀具路徑

  
      采用雙邊等距加工方式進(jìn)行零件的曲面加工較為合理，無(wú)論在加工效率還是加工質(zhì)量方面均可得到比較滿(mǎn)意的效果。采用等距截面法的雙邊等距方式加工零件時(shí)的局部及整體刀具路徑如圖4 所示。

      產(chǎn)品數(shù)控加工模擬演示圖見(jiàn)圖5。在模擬過(guò)程發(fā)現(xiàn)，曲面加工應(yīng)注意刀具與工件的接觸點(diǎn)變化，對(duì)于整個(gè)曲面應(yīng)盡可能連續(xù)加工，減少抬刀、下刀的次數(shù)，這也是采取雙邊等距方式加工零件的主要原因之一。此外，為了避免刀具垂直插入工件表面時(shí)產(chǎn)生的載荷過(guò)大現(xiàn)象，應(yīng)采取先從工件外部下刀，然后水平切入工件的進(jìn)刀方式。加工時(shí)，刀具的進(jìn)給方向改變均采用圓弧或曲線轉(zhuǎn)接過(guò)渡，避免采用直線轉(zhuǎn)接時(shí)對(duì)刀具切削平穩(wěn)性的影響，而在加工完成后退刀時(shí)，使刀具沿曲面的切矢方向退刀，這樣就不會(huì)在工件表面留下駐刀痕跡。

         圖4 刀具路徑                   圖5 產(chǎn)品數(shù)控加工模擬演示圖

      2.4 設(shè)備及刀具

      該零件使用數(shù)控銑床XK5038 來(lái)完成。該設(shè)備為三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床， 使用日本FANUC-0M 數(shù)控操作系統(tǒng)，可進(jìn)行鉆孔、鏜孔、攻絲、銑加工。銑頭內(nèi)裝有液壓自動(dòng)松刀機(jī)構(gòu)，使刀具的裝卸十分方便；銑頭裝卡莫氏2～3 號(hào)錐柄銑刀及φ6～20 的直柄桿銑刀。

      3 、使用數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)擴(kuò)展三軸機(jī)床功能結(jié)果驗(yàn)證及效果分析

      對(duì)零件按照最終確定的加工方式與方案進(jìn)行模擬件加工，加工時(shí)，數(shù)控回轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)工件毛坯以X 軸為軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主軸帶動(dòng)刀具進(jìn)行Z 軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X 軸及Y 軸的雙向直線運(yùn)動(dòng)，四軸聯(lián)動(dòng)方式下的加工全面實(shí)現(xiàn)，加工過(guò)程如圖6 所示。最終產(chǎn)品實(shí)物如圖7 所示。

      圖6 四軸聯(lián)動(dòng)加工過(guò)程圖

      圖7 最終加工產(chǎn)品實(shí)物圖

        該方案達(dá)到的效果：
   
      （1）加工質(zhì)量明顯提高。
 
      加工過(guò)程中未使用專(zhuān)用工裝輔助加工，杜絕了換位裝夾、多次找正等操作引發(fā)的多次誤差積累，加工接刀現(xiàn)象從根本上得以避免； 由于旋轉(zhuǎn)軸的介入，原來(lái)加工時(shí)的“死角”位置得以消除。
 
      （2）加工周期大幅縮短。
 
      加工周期由三軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)的3 天縮短為0.5天，提升效果明顯。
 
      （3）生產(chǎn)成本顯著降低。
 
      加工工序簡(jiǎn)化（由三軸加工時(shí)的三道工序減為一道工序）， 加工所涉及的設(shè)備由最初的兩類(lèi)（數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床）減少為一類(lèi)（數(shù)控銑床），無(wú)需設(shè)計(jì)、制作專(zhuān)用及各類(lèi)輔助工裝，從而使生產(chǎn)成本大幅降低。
 
      （4）勞動(dòng)強(qiáng)度有效降低。

  
      操作者的作業(yè)時(shí)間有效縮短，產(chǎn)品周轉(zhuǎn)、工裝與設(shè)備調(diào)試、安裝操作等實(shí)際作業(yè)內(nèi)容有效減少，因此勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低。