大型拋物面天線模胎數(shù)控加工技術(shù)研究

胡佰毅

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

文中論述的大型拋物面天線是在200±10℃高溫下通過模胎復(fù)合成型。天線反射面的曲面形狀為拋物面，形狀精度要求非常高。模胎是該拋物面天線曲面復(fù)合成型過程中關(guān)鍵的工裝，其毛坯采用球墨鑄鐵QT50-10 鑄造成型，為了保證天線曲面在高溫下的成型精度，相應(yīng)模胎的加工精度更為苛刻。

本文針對拋物面天線模胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)，設(shè)計數(shù)控加工工藝方案，利用我所現(xiàn)有的UG 軟件建模，Master CAM 軟件仿真加工和后處理，在數(shù)控立車上加工拋物面，在數(shù)控龍門銑上加工拋物線槽，實現(xiàn)了拋物面天線模胎的整體數(shù)控加工。

1 拋物面天線模胎的工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

拋物面天線模胎的結(jié)構(gòu)和主要尺寸要求如圖1 所示。分析圖1 可以看出，零件屬于中空大直徑薄壁曲面鑄件，其壁厚與半徑比為1：80，為典型的薄壁零件，加工中容易產(chǎn)生變形。而且在Φ1600mm 的拋物面上等間距分布著200 余條細(xì)微的拋物線槽，是生產(chǎn)加工的瓶頸，極具加工難度。

圖1 模胎結(jié)構(gòu)

其主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸為：毛坯為鑄件，材料為球墨鑄鐵QT50-10，曲面的拋物面方程為：x2+y2=Kz（K 為一常數(shù)），粗糙度為1.6。

拋物線槽所在平面的方程為x2+y2=K（z-0.6），線槽深度0.6mm，寬度0.9mm，相互平行度小于0.05mm，兩拋物面均方根誤差在0.07mm 以內(nèi)。

1.2 加工工藝難點(diǎn)分析

該拋物面天線模胎直徑大、壁厚薄，曲面表面的曲線槽寬度小、分布密集，而且所有曲線槽底端又形成一個拋物面，兩拋物面相對精度要求高。這些特點(diǎn)反映到加工上帶來的主要難點(diǎn)有：

1.2.1 模胎外形大，壁厚薄容易引起加工變形，影響拋物面的形狀精度，必須控制粗加工切削參數(shù)，適當(dāng)增加熱處理，配合相應(yīng)的輔助工裝；

1.2.2 拋物線槽分布密集，寬度尺寸小，深度較深，沒有能夠滿足加工實際所需的刀具，必須設(shè)計剛性高，特殊形狀的專用刀具；

1.2.3 拋物面的最高點(diǎn)到最低點(diǎn)所在母線的曲率不同，加工中表面粗糙度的一致性難以保證；

1.2.4 復(fù)雜曲面程序編程技術(shù)難度大，手工編程很難實現(xiàn)，需借助軟件編程模擬加工和后處理。

1.3 加工工藝方案設(shè)計

1.3.1 加工工藝方案分析對比

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工難點(diǎn)以及機(jī)床、刀具的選擇設(shè)定了兩種可行的加工工藝方案，方案1：拋物面、拋物線槽采用整體數(shù)控銑加工；方案2：拋物面采用數(shù)控車加工，拋物線槽采用數(shù)控銑加工。兩種方案的分歧是拋物面的加工采用數(shù)控銑還是數(shù)控車，采用數(shù)控車加工拋物面有以下優(yōu)點(diǎn)：

a）數(shù)控車編程相對簡單只需繪制出準(zhǔn)確的拋物線；

b）采用數(shù)控車，粗加工時可以預(yù)留較小的加工余量，并且余量均勻，相應(yīng)的加工應(yīng)力變形較小（如圖2）；

圖2 粗加工余量

c）數(shù)控車加工，刀具沿拋物線切點(diǎn)做簡單的插補(bǔ)運(yùn)動，可以選用高強(qiáng)度的刀具，吃刀量大，數(shù)控銑加工需要復(fù)雜的三維插補(bǔ)運(yùn)動，機(jī)器運(yùn)算量大，分層進(jìn)給量小，加工效率低，增加了加工成本；

d）數(shù)控車加工拋物面回轉(zhuǎn)體表面，刀具沿回轉(zhuǎn)表面圓周切削，針對切削圓半徑的變化，用G96 指令設(shè)定恒定的線速度，并限定最高轉(zhuǎn)速3000 轉(zhuǎn)，可以獲得相對一致的表面粗糙度；

e）數(shù)控車可采用仿形加工，刀具沿著拋物面截面的拋物線從底端到頂端進(jìn)行仿形加工，刀具進(jìn)給是連續(xù)的，可以改善數(shù)控銑等距進(jìn)給的加工殘留高度，提高表面粗糙度。

采用數(shù)控車加工拋物面工序不集中，需增加一臺設(shè)備，帶來的缺點(diǎn)有：

a）數(shù)控車加工完拋物面，還需在數(shù)控銑上加工拋物線槽，多使用一臺設(shè)備，工件需在兩臺設(shè)備之間周轉(zhuǎn)，加工準(zhǔn)備時間長；

b）數(shù)控車和數(shù)控銑裝夾方式不同，采用數(shù)控車需增加工裝，提高了單件生產(chǎn)的附加成本。

1.3.2 加工工藝方案確定

通過上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)比較，結(jié)合實際情況，綜合分析，確定了第二種加工方案：即采用立式數(shù)控車加工拋物面，然后用龍門數(shù)控銑加工拋物線槽。

2 工藝過程

根據(jù)加工工藝方案，設(shè)計主要工藝過程如下：編制加工工藝流程，設(shè)計拋物線槽專用刀具，UG 軟件建模，Master CAM 軟件數(shù)控編程及優(yōu)化仿真，加工和檢測。

2.1 加工工藝流程

根據(jù)模胎的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，結(jié)合確定的工藝方案設(shè)計加工工藝流程如圖3 所示。

圖3

其中，粗加工對零件加工質(zhì)量影響不大，只需留足粗加工余量，為了改善切削的應(yīng)力變形，粗加工后必需增加熱處理，待應(yīng)力釋放后再進(jìn)行精加工。拋物線槽的加工安排在拋物面精加工之后，應(yīng)力變形比較小，可以一次加工完成。

2.2 設(shè)計拋物線槽專用刀具

拋物線槽的加工是整個加工的瓶頸，要求機(jī)床有2 米以上的行程，尤其對刀具的要求比較特殊。為了滿足加工要求，設(shè)計出專用刀具的主要參數(shù)，由專門廠家研磨成型，刀具結(jié)如圖4。

圖4 專用刀具結(jié)構(gòu)圖

刀具材料為硬質(zhì)合金YG，球頭半徑為R0.45，刀片為兩刃，螺旋升角為60°，主要特點(diǎn)有：

a）刀具總高50mm，刀刃長為1.5mm，直徑為Φ0.9mm，設(shè)計中采用了刀柄和刀刃大比例半徑過渡的結(jié)構(gòu)，既滿足了線槽寬度的限制又便于裝夾；

b）設(shè)置了錐度，減小了大比例半徑過渡時的應(yīng)力集中，增加了刀具強(qiáng)度，而且在加工拋物線槽時，消除曲率變化產(chǎn)生的干涉；

c）刀具采用兩刃利于排屑，適合加工圓弧形溝槽，耐磨性好，可以切削HRC55 以下的材料，使用最高轉(zhuǎn)速2000 轉(zhuǎn)。

2.3 UG 三維實體建模及計算

拋物面可以通過拋物線回轉(zhuǎn)實現(xiàn)，首先在UG 中創(chuàng)建拋物線需輸入?yún)?shù)DY（弦半徑），F(xiàn)（焦距），旋轉(zhuǎn)角度（θ）。DY 為已知，旋轉(zhuǎn)角度θ=0，求出F 值是關(guān)鍵。

已知拋物線方程為：x2+y2=Kz，

將拋物線方程化為標(biāo)準(zhǔn)方程：x2+y2=2Pz（P 為焦點(diǎn)到準(zhǔn)線的距離，即2 倍焦距P=2F），

推出2×2Fz=Kz，

選擇頂點(diǎn)(0，0，0)，輸入拋物線參數(shù)，做出拋物線如圖5。

圖5 構(gòu)造曲線

圖6 實體模型

拋物線通過旋轉(zhuǎn)做出拋物面，在拋物面上做拋物線槽比較困難，通過多次嘗試，簡便的方式是先在一個基準(zhǔn)面做出平行線投影到拋物面上形成曲線，將曲線拉伸成曲線槽和拋物面求差就做出了線槽如圖6。

2.4 數(shù)控程序設(shè)計和仿真

將UG 模型導(dǎo)入Master CAM 程序設(shè)計軟件，從拋物面頂端Z 零點(diǎn)開始，設(shè)定恒定線速度沿輪廓軌跡進(jìn)行粗、精加工，對拋物線槽進(jìn)行數(shù)控銑一次加工成形，從頂點(diǎn)開始分別向兩端加工。根據(jù)機(jī)床加工參數(shù)，通過多次模擬驗證，制定加工參數(shù)如表1。

表1 加工參數(shù)表

按表1 參數(shù)制定刀路軌跡，再進(jìn)行刀路軌跡模擬和實體仿真加工驗證，數(shù)控車驗證結(jié)果如圖7，數(shù)控銑驗證結(jié)果如圖8。仿真驗證完后進(jìn)行后處理并生成加工程序代碼。

圖7 數(shù)控車實體模擬驗證

圖8 數(shù)控銑實體模擬驗證

3 加工和檢測

3.1 加工過程控制

按照設(shè)計的工藝流程先進(jìn)行數(shù)控車粗加工，粗加工前在內(nèi)腔均勻墊三個輔助支撐，多點(diǎn)壓裝周圍，使工件均勻受力，防止加工時向某一方向強(qiáng)烈變形。粗加工去除余量比較大，按機(jī)床設(shè)置相對快的進(jìn)給和大的切削深度，單邊留2mm 余量，粗加工后實施退火去應(yīng)力熱處理，重新打表找正，使工件的變形在粗加工的余量范圍內(nèi)補(bǔ)償。精加工時設(shè)置相對慢的進(jìn)給，較小的切削深度，以保證拋物面的加工精度和表面粗糙度。拋物面加工完后，在數(shù)控龍門銑上使用專用刀具加工拋物線槽，將拋物線槽從頂點(diǎn)分為兩段分別加工，銑刀從頂點(diǎn)切線的延長線上進(jìn)刀，銑至拋物線端點(diǎn)的延長線上退刀（進(jìn)、退刀距離均設(shè)3mm），不僅避免了干涉，還減小了切削力，為了進(jìn)一步減小變形，對均布的拋物線槽跳格加工（即先逐一加工奇數(shù)槽，然后逐一填補(bǔ)偶數(shù)槽），按此規(guī)律加工出所有的拋物線槽。

3.2 檢驗方法及結(jié)果

4 結(jié)論

通過對大型拋物面天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)進(jìn)行分析，確定了拋物面模胎的加工方案，針對加工難點(diǎn)設(shè)計了專用刀具，通過MasterCAM 軟件編制數(shù)控加工程序和進(jìn)行后處理，經(jīng)加工達(dá)到圖紙要求。解決加工不同曲率表面粗糙度難以保證，拋物面及拋物線槽編程加工困難的問題，有效控制了薄壁加工變形，為大型復(fù)雜曲面加工積累了經(jīng)驗，尤其在大型曲面加工方案和數(shù)控程序編制方面開拓了新思路。

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