三軸曲面數(shù)控加工工藝參數(shù)的優(yōu)化研究*

馮 慶 ， 陳 聰 ， 鄭雪飛 ， 朱 勤

（1.浙江省衢州中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，浙江 衢州 324000；2.浙江赫科智能裝備有限公司，浙江 衢州 324000）

0 引言

由于計(jì)算機(jī)的高計(jì)算速度與高精度等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床在不斷地向智能化發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的平面加工，三維聯(lián)動(dòng)有它自己的先進(jìn)性和優(yōu)越性[1]。但是相對(duì)于現(xiàn)在不斷發(fā)展的四軸聯(lián)動(dòng)加工、五軸聯(lián)動(dòng)加工而言，它又屬于一項(xiàng)基礎(chǔ)的曲面加工方法。三坐標(biāo)曲面加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡在理論上是由刀具與曲面的嚙合關(guān)系所確定的復(fù)雜曲線(xiàn)[2]，但由于CNC系統(tǒng)插補(bǔ)能力的限制，該連續(xù)光滑軌跡只能用一系列的小直線(xiàn)段進(jìn)行離散逼近（即用微分的思想進(jìn)行分割求和），再由CNC控制機(jī)床的三個(gè)坐標(biāo)軸做線(xiàn)性插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)來(lái)近似包絡(luò)成型。通過(guò)理論和實(shí)踐證明，離散步長(zhǎng)過(guò)大將使輪廓的理論加工精度降低，一階不連續(xù)性使表面質(zhì)量惡化，后續(xù)處理工作量加大，整體效率降低[3-4]。但走刀步長(zhǎng)過(guò)小又將導(dǎo)致零件程序膨脹，編程效率下降，并加劇進(jìn)給速度波動(dòng)和平均速度的下降，從而影響加工效率和表面質(zhì)量[4-5]。

總之，三維聯(lián)動(dòng)曲面加工已不再是最先進(jìn)的加工方法，現(xiàn)在的四軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)已成為新的主流。所以對(duì)于曲面加工的研究，就應(yīng)從基礎(chǔ)的三維聯(lián)動(dòng)進(jìn)行研究開(kāi)始。

1 研究方法

1.1 三維聯(lián)動(dòng)曲面加工流程

數(shù)控編程的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)。各種加工類(lèi)型用于各種復(fù)雜零件的粗精加工，人們可以根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工表面形狀和加工精度要求，選擇合適的加工類(lèi)型。對(duì)于不同的加工類(lèi)型，數(shù)控編程過(guò)程都需經(jīng)過(guò)獲取零件模型、加工工藝分析及規(guī)劃、完善零件模型、設(shè)置加工參數(shù)、生成數(shù)控刀路徑、檢驗(yàn)數(shù)控刀路徑和生成數(shù)控程序七個(gè)步驟[6-8]。三維數(shù)控編程流程圖如圖1所示。

圖1 三維數(shù)控編程流程圖

1.2 三維聯(lián)動(dòng)數(shù)控刀具軌跡設(shè)計(jì)

機(jī)床上的刀具和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為表面成形運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)成形運(yùn)動(dòng)或切削運(yùn)動(dòng)[9-10]。數(shù)控加工是指數(shù)控機(jī)床按照數(shù)控程序所確定的軌跡（稱(chēng)為數(shù)控刀軌）進(jìn)行表面成形運(yùn)動(dòng)，從而加工出產(chǎn)品的表面形狀。圖2是一個(gè)平面輪廓加工示意圖，圖3是一個(gè)曲面加工實(shí)圖。

圖2 平面輪廓加工剖切示意圖

圖3 曲面加工實(shí)圖

由圖3可知，刀具的表面成形運(yùn)動(dòng)通常分為主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)指機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)質(zhì)量主要影響產(chǎn)品的表面光潔度。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是主軸相對(duì)工件的平動(dòng)，其傳動(dòng)質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度和主軸轉(zhuǎn)速是刀具切削運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)主要參數(shù)，對(duì)加工質(zhì)量、加工效率有重要的影響。

1.3 加工程序設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）外形銑削程序：

2）等高環(huán)切粗加工程序：

3）銑削參數(shù)如表1所示。

表1 銑削參數(shù)

2 結(jié)論

綜上所述，三維聯(lián)動(dòng)曲面加工過(guò)程中，銑削殘留量高度是影響加工表面粗糙度的主要因素，是CAD/CAM中確定刀具以及其他切削參數(shù)的重要依據(jù)，往往通過(guò)控制它的大小來(lái)控制表面加工質(zhì)量。但是目前確定球頭刀銑削殘留高度的方法大多建立在估算的計(jì)算公式上，卻不能很好地定性在其他外界因素變化的基礎(chǔ)上。所以，在計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展、CAD/CAM技術(shù)進(jìn)一步完善的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究進(jìn)一步得出更為貼近實(shí)際的精確計(jì)算公式來(lái)確定表面殘留量將是下一步工作的重點(diǎn)，并希望對(duì)零件表面進(jìn)行殘留量檢測(cè)的工具和方法能進(jìn)一步大眾化和精確化。