三自由度車削在復雜回轉(zhuǎn)面車削加工中的應用

盧　達

（沈陽汽車工業(yè)學院，遼寧 沈陽 110015）

三自由度車削在復雜回轉(zhuǎn)面車削加工中的應用

盧達

（沈陽汽車工業(yè)學院，遼寧 沈陽 110015）

經(jīng)濟的快速發(fā)展需要以實體行業(yè)為依托，而實體業(yè)則需要建立在先進的加工制造業(yè)的基礎(chǔ)上。車削加工是機械加工中的重要的組成部分，相較于傳統(tǒng)的普通的圓柱形零部件的車削加工，復雜回轉(zhuǎn)面的車削加工無論是在加工工藝還是在加工要求上都有其明顯的特點，在復雜回轉(zhuǎn)面的加工上，由于其外廓的投影并非為圓形的曲線。使用普通的數(shù)控車床無法完成復雜的曲線的加工，具體表現(xiàn)為在復雜回轉(zhuǎn)面的車削加工中，普通的數(shù)控車床在完成復雜回轉(zhuǎn)面的車削加工的過程中，不論是在加工的精度還是加工的效率方面都存在著較大的不足。因此，應當在做好對于復雜回轉(zhuǎn)面加工特點分析的基礎(chǔ)上對刀具的運動軌跡建立起相應的數(shù)學模型，從而進入切線傾斜角作為復雜回轉(zhuǎn)面加工過程中的新的變量，從而將傳統(tǒng)的二自由度的車削加工轉(zhuǎn)變?yōu)槿杂啥鹊能囅骷庸?，從而完成對于復雜回轉(zhuǎn)面加工過程中刀具轉(zhuǎn)角的精密控制，做好對于復雜回轉(zhuǎn)面的加工。

復雜回轉(zhuǎn)面；車削加工；三自由度插補

復雜回轉(zhuǎn)面是車削加工中的難點也是重點。隨著計算機技術(shù)及自動化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控車床已經(jīng)取代傳統(tǒng)機床成為現(xiàn)今加工制造中的主力設(shè)備，在生產(chǎn)、生活中的各個方面發(fā)揮著重要的作用。傳統(tǒng)的二自由度的數(shù)控設(shè)備在加工制造復雜回轉(zhuǎn)面時面臨著較大的加工效率與加工質(zhì)量的難題，通過在二自由度車削加工的基礎(chǔ)上設(shè)計一種適用于復雜回轉(zhuǎn)面車削加工的三自由度車削加工方法，通過在復雜回轉(zhuǎn)面車削加工的過程中采用3個變量聯(lián)動完成對于復雜回轉(zhuǎn)面加工過程中復雜曲面的插補運算，對生產(chǎn)過程中的刀具運動過程進行調(diào)整和優(yōu)化，從而確保復雜回轉(zhuǎn)面加工過程中車刀垂直于毛坯件母線的切線，主、副偏角在加工過程中恒定不變，從而使得刀具能夠與待加工件之間形成穩(wěn)定的接觸，從而進一步提高復雜回轉(zhuǎn)面車削加工的精度和質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上提升復雜回轉(zhuǎn)面車削加工的效率。

1.提高復雜回轉(zhuǎn)面車削加工工藝的必要性

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的各行各業(yè)都進入了高速發(fā)展期，從而使得母線為復雜函數(shù)曲線的回轉(zhuǎn)體零件的應用更為廣泛。普通的車削加工主要利用的是待加工工件相對于刀具進行旋轉(zhuǎn)的切削加工的方法，這種切削方式適用于一些回轉(zhuǎn)面的加工或是一些半回轉(zhuǎn)面的加工。但是由于復雜回轉(zhuǎn)面零件具有硬度高、尺寸大、加工精度要求較高等特點，使得復雜回轉(zhuǎn)面的加工時采用傳統(tǒng)的二自由度車削加工費時費力，同時再加上機床運動方向的限制，使得在對于一些復雜回轉(zhuǎn)面零部件的加工過程中，機床所使用的刀具的進給方向與待加工工件的母線發(fā)現(xiàn)方向之間的角度會隨著母線的曲率發(fā)生一定的變化，影響復雜回轉(zhuǎn)面的加工效率與加工質(zhì)量，為確保復雜回轉(zhuǎn)面的加工效率與質(zhì)量需要采用一種新的高效的復雜回轉(zhuǎn)面的加工工藝。

2.復雜回轉(zhuǎn)面零部件的車削加工時所面臨的主要問題及改進的方法

組成零部件輪廓的曲線可以是數(shù)學方程式描述的曲線、參數(shù)方程或是列表曲線，一般的較為常見的復雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的截面均為圓形，而在軸剖面在軸向-徑向坐標系內(nèi)的投影則為直線，拋物線等曲線，增大了刀具動作時連續(xù)性的要求。在使用普通數(shù)控車床完成對于復雜回轉(zhuǎn)面的加工時，由于刀具在運動的過程中其進給方向始終與工件的母線法線方向之間具有一定的夾角，同時這一夾角會隨著母線的曲率的變化而發(fā)生一定的改變，影響復雜回轉(zhuǎn)面的加工質(zhì)量與加工效率。為提高復雜回轉(zhuǎn)面零部件的加工質(zhì)量需要采用一種新的三自由度數(shù)控車削加工來提高加工的準確性與加工質(zhì)量。數(shù)控機床主要由數(shù)控系統(tǒng)、伺服運動控制部分以及機床機械運動部分。通過對復雜回轉(zhuǎn)面零部件的加工工藝進行編制，而后通過機床數(shù)控系統(tǒng)完成對于加工曲線的軌跡的規(guī)劃和運動點的插補，從而控制機床刀具按照一定的軌跡進行運動。現(xiàn)今較為常見的插補方式主要有直線、圓弧以及螺旋線等的插補方式，為更好地確保對于復雜回轉(zhuǎn)面零部件的加工，需要采用更為高效的插補算法。數(shù)控機床補償法主要分為基準脈沖補償與數(shù)據(jù)采樣補償兩種，其中基準脈沖補償主要是采用的是在插補周期末的時刻，通過向各軸輸出基準脈沖序列以單位步長來逼近數(shù)控加工的理論工作曲線.數(shù)據(jù)采樣插補又可以稱為時間標量插補法等，主要通過全閉環(huán)或是半閉環(huán)來實現(xiàn)對于整個刀具運動過程的控制.

在傳統(tǒng)的二自由度插補法的基礎(chǔ)上引入了三自由度車削插補法，通過在傳統(tǒng)的Z/X軸的基礎(chǔ)上引入了新的刀具轉(zhuǎn)角θ的變量，從而使得車削加工時除了能夠?qū)崿F(xiàn)Z/X軸方向直線運動的同時，還能夠做好X-Z平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，在復雜回轉(zhuǎn)面零部件的加工過程中通過以上變量的共同協(xié)作來實現(xiàn)對于復雜回轉(zhuǎn)面零部件的精密加工。在進行復雜回轉(zhuǎn)面零部件加工刀具插補參數(shù)的確定時，通過將車床的刀具與工件的接觸位置設(shè)置成質(zhì)點，在設(shè)置時認定X軸在工作周期內(nèi)發(fā)出一個脈沖當量，這一脈沖當量的參數(shù)需要根據(jù)待加工工件的材料、刀具的選取以及其他一些因素來進行確定。同時在三自由度的車削補償中每個插補周期內(nèi)需要有3個變量的變化，因此單個周期內(nèi)總共有9種的運動方案，通過3個變量的協(xié)同動作來實現(xiàn)對于車削加工中的模擬聯(lián)合插補，為進一步消除采用此種方法所帶來的加工誤差，可以選用最小單點誤差與最小累積誤差兩種誤差控制方式，最小單點誤差主要控制的是每個加工點上加工所帶來的誤差，而最小累積誤差則控制的是全部加工點上所累積的誤差，是一種整體化的優(yōu)化方式，能夠較高的控制復雜回轉(zhuǎn)面零部件的精確加工。

3.三自由度車削加工仿真結(jié)果與加工誤差分析

對于三自由度車削模型的建立采用一種非標準件復雜回轉(zhuǎn)面零件來作為車削工件來進行仿真。機床運動系統(tǒng)復雜性極強，在機床的運動過程中存在著很多非線性的影響因素，從而使得機床在移動定位的過程中不可避免地會存在著跟隨誤差，同時由于各軸參數(shù)的差異使得各軸的動態(tài)特性相異，在機床各軸聯(lián)動時不可避免地會產(chǎn)生大小不同的跟隨誤差，從而導致誤差的累積增加。普通加工方法所產(chǎn)生的累積誤差不具備自我恢復和調(diào)整能力，因此，在進行較長件加工時會帶來較大的誤差，在加工過程中使用回轉(zhuǎn)刀架進行車削加工的精度要遠遠高于普通車削加工的加工精度。在對三自由度數(shù)控車床伺服系統(tǒng)顫振特性、切削力特性等的物理性能指標進行分析后確定在使用三自由度車削加工時能夠確保復雜回轉(zhuǎn)面零件的車削精度。

4.三自由度加工回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計

在數(shù)控車床的硬件設(shè)計中設(shè)計精密驅(qū)動回轉(zhuǎn)刀架與三自由度數(shù)控車削插補方法和控制理論相結(jié)合來對三自由度車削加工中的刀具的姿態(tài)進行調(diào)整，從而使得車刀與待加工零件的母線的切線、主/副偏角在車削加工中保持恒定不變，從而有效地提高三自由度車削加工時的車削加工的精度，在提高復雜回轉(zhuǎn)車削加工工件表面質(zhì)量的同時提高工件的加工效率。在三自由度車削刀架的設(shè)計中，通過在傳統(tǒng)刀架的基礎(chǔ)上采用伺服電機與蝸輪蝸桿的傳動形式來驅(qū)動刀架的旋轉(zhuǎn)，保障車削刀架的準確定位，以確保三自由度車削的加工質(zhì)量。對于三自由度車削回轉(zhuǎn)刀架的控制采用高的是伺服系統(tǒng)控制的，與車床的另外兩軸進行進給聯(lián)動，以確保刀具的定位準確。在三自由度車床進行車削加工時，車床在進行一般母線回轉(zhuǎn)體零件加工時，伺服控制系統(tǒng)根據(jù)工件的曲線特性來控制刀架伺服電機的轉(zhuǎn)動，以驅(qū)動回轉(zhuǎn)工作臺在水平面內(nèi)進行轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)刀具在水平面內(nèi)做相對于X軸范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動，以提高車削加工的加工效率與加工質(zhì)量。

5.三自由度車削加工的應用展望

在對復雜回轉(zhuǎn)面進行車削加工時，由于刀具的偏角等的原因會使得車削刀具與復雜回轉(zhuǎn)面零件接觸時的姿態(tài)處于不斷地變化中，從而使得刀具的主、副偏角處于不斷地變化中，刀具參與切削的長度也隨之改變，從而造成刀具加工狀態(tài)的不穩(wěn)定，上述原因會導致普通車削加工時工件的加工質(zhì)量難以保證，為解決這一難題通過增加回轉(zhuǎn)刀架這一變量從而使得車削加工時通過采用三自由度車削的方式來實現(xiàn)對于復雜回轉(zhuǎn)面零件的車削加工，從而在提高車削加工效率的同時提高車削加工的加工質(zhì)量。

結(jié)語

復雜回轉(zhuǎn)面的車削加工是車削加工的重點也是難點，在使用普通的車削加工方式來對工件進行車削加工時，由于刀具偏角的原因會導致工件的加工質(zhì)量與加工效率都大打折扣。本文在分析復雜回轉(zhuǎn)面車削加工特點的基礎(chǔ)上提出了一種新的三自由度車削加工，通過刀具的回轉(zhuǎn)來解決復雜回轉(zhuǎn)面加工中所存在的刀具偏角問題，有效地提高了復雜回轉(zhuǎn)面的加工質(zhì)量。

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