如何提高特形曲面的加工精度
如何提高特形曲面的加工精度
摘 要：本文从特形曲面的种类及各类特形曲面可以用哪些加工方法入手，重点介绍数控车床精密加工特形曲面技术。
关键词：特形曲面 宏程序 精密车削 切削速度
随着社会加工制造业的快速发展，对高精度，高复杂的特形曲面类零件要求越来越多，尤其是特殊线型的特形曲面在机械制造与机械设计中有着特殊的地位。如，抛物线曲面轮廓、椭圆曲面轮廓、双曲线曲面轮廓、凹凸圆球面曲面轮廓等，为能达到零件的使用性能及要求。对这些特形曲面的表面质量和加工精度要求也越来越高。下文以特形曲面的种类及加工方法进行具体介绍。
一、特形曲面的分类及加工方法
目前特形曲面主要分为三类：回转体类特形曲面；平面类特形曲面；其他综合类特形曲面。特形曲面常用加工方法有三种：①刀具轨迹运动合成法，主要用于加工回转体类特形曲面。如，车削加工、铣削加工、刨削加工等。②特种加工法，主要用来加工平面类特形曲面。如，电火花加工、线切割加工、快速成型加工、激光加工等。③直接成型法，主要用来加工综合类特形曲面。如，冲压加工、铸造加工、锻造加工等。其中直接成形法目前在生产特形曲面中被广泛使用，但其加工精度低，表面质量差，不能满足高精度特形曲面的加工。特种加工，由于不能生产出高复杂的特形曲面零件，加之生产成本高，效率低而不被采用。刀具轨迹运动合成法是加工特形曲面获得高精度的主要方法。
车、磨、刨、铣等加工是最常见的刀具轨迹合成运动加工法。能利用机械部件的合成运动加工出不同特形曲面的零件。在这些加工方法中，铣削和刨削加工可达到IT9-IT7级。车削加工可达到IT7～IT5，磨削加工可达到IT6-IT5。由此可见磨削加工可以获得较高的精度，是最常用的精密加工方法且有较高的生产率。但由于磨削加工，砂轮的负前角偏大，刃口容易钝化，切削深度较小，切屑容易堵塞，砂轮加工零件温度高，磨削力大，不能胜任磨削曲率较大、厚度较薄的零件等原因。因此在其广泛应用上受到一定局限性。随数控机床和陶瓷、涂层、金刚石等刀具的广泛使用，使得精密车削加工技术发展较快。在特形曲面加工精度上大大地提高。
二、特形曲面车削的方法
车削特形曲面零件方法主要有：①机械运动合成法，通过机构部件的各个方向运动来合成所需要加工的零件轮廓即刀具移动轨迹。②靠模仿形加工法，主要是利用靠模预制的形状来控制刀具运行轨迹，最终加工出符合特形曲面轮廓的形状。③数控车削法，根据特形曲面形状编写轮廓编程序，对数控机床的刀具运动进行自动控制，使机床安照预定的程序轨迹完成加工过程。其中，数控车削法加工质量稳定，生产率高，表面质量可控，改变程序即可改变加工对象。能实现生产自动化，可结合CAM / CAD软件加工出高精度特形曲面零件。
三、数控车削加工特形曲面的分析
（一）、刀具参数分析
刀具的工作角度是随着加工过程而不断变化的，加工中可能会出现较大的负后角或负前角。加工中若出现较大的负后角，会产生刀具与零件挤压和摩擦现象至使工件表面质量变差，甚至导致零件报废。因此在加工特形曲面时应防止出现较大的负后角。
（二）、刀具结构分析
数控车刀必须要满足耐用、稳定、易调整、易换等技术要求。随着生产力的不断发展，可转位车刀，刀柄要联动技术已被广泛使用。部分刀具已经被标准化。如图（1）所示：
图（1）
（三）、刀具的选择
选择刀具时是在人机对话互动状态下进行的。应根据机床本身的系统刚度、加工能力、零件材料的特性、加工的工艺顺序、切削速度、切削用量以及刀具尺寸应与被加工零件的表面尺寸相对应来选择刀柄。总的选择原则是：易调整、刚性好、耐用度高。刀具刀柄在满足使用条件下尽量缩短，提高刀具的加工刚性。
（四）、选择切削用量
数控车削用量总的选择原则：①粗加工时，目的是在较短的时间内去除多余的材料提高生产量。故选择大的背吃刀量（ap），快的进给速度（f），但要兼顾加工成本和经济效益。②半精加工和精加工时，在保证产品质量与机床性能情况下，兼顾效率及经济性。③可根据刀具铭牌所提供的切削参数作为参考。④精加工余量确定，数控车床精加工余量要略小于普通车床。
（五）、选择切削速度（Vc）
提高切削速度是提高生产率的一个重要指标，但提高切削速度也是影响刀具耐用度的致命因素。因此，选择切削速度主要取决于刀具的耐用度。另外，被加工零件的材料与切削速度也有很大关系。
当Vc确定以后即可确定数控车床主轴转速（n）
n=1000Vc/πd
式中，n表示机床主轴转速；
Vc表示切削速度；
d表示被加工零件的直径或刀具直径。
四、特形曲面在数控车床上加工实例
我们以FANUC Oi-TB系统数控机床为例，重点介绍特形曲面的加工方法，及在工艺上、程序结构上的一些特点。
（一）、特形曲面图纸
（二）、对特形曲面工艺分析
在此图纸中应从右端开始加工，先加工φ24、φ30的外圆及切槽和倒角倒圆。最后加工抛物线与圆弧相切的特形曲面。
（三）、特形曲面的加工程序
程序一：
O0001;(主程序)
M3 S500;
M8;
T0101;
G0 X46;
Z-24;
G1 Z-28 F0.2;
M98 P0002;
M5;
M0;
M3 S1200;
T0101;
G0 X46;
Z-24;
G1 Z-28 F0.2;
M98 P0002;
M30;
O0002;（子程序）
G3 X57.9533 Z-34.5289 R6 F0.1;
X30.6575 Z-61.3314 R40;
#1=5.77;
N10 #2=0.1*[#1] *[#1];
G1 X[2*[#2]+24] Z[#1-67] F0.2;
#1 = #1-0.2;
IF[#1GE-12.65] GOTO10;
G1 X61;
G0 X200;
Z10;
M99;
程序一，是应用直接编辑外圆轮廓，并加入了宏程序对复杂曲线轮廓进行编程，优点在于可以重复多次调用轮廓程序（子程序），不受循环指令套用的限制。但在这种加工程序中由于需要操作人员进行修改摩耗数值即在摩耗中把刀具向外偏一个数值，这对数控操作人员技术要求高，尤其对复杂特形面的加工更能体现出这一点，但在加工过程中总体讲来空刀行程较多，从一定程度上讲，不仅工人的劳动强度大而且浪费较多的时间而且不便于进行统一化，自动化。
程序二：
O0002;(主程序)
M3 S500;
M8;
#10=18;
N10 G10 P01 X#10 Q8;
T0101;
M98 P0004;
#10 = #10-4;
IF[#1GE0.5] GOTO10;
G10 P01 X0.3 Q8;
T0101;
M98 P0004;
M5;
M0;(测量改摩耗)
M3 S1400;
T0101;
M98 P0004;
M9;
M30;
O0001;（子程序）
G0 X46;
Z-24;
G1 Z-28 F0.2;
G03 X57.9523 Z-34.5289 R6 F0.1;
X30.6575 Z-61.3314 R40;
#1=5.77;
N20 #2=0.1*[#1] * [#1];
G1 X[2*[#2]+24] Z[#1-67] F0.2;
#1=#1-0.2;
IF[#!GE-12.65] GOTO10;
G1 X61;
G0 X200;
Z10;
M99;
程序二，是在一号调用子程序与宏程序的基础上加入了G10可编程偏置，可以人性化地减少刀具的空行程节约时间加强了加工的灵活性，便于进行统一化，自动化。
程序三：
O0003;
M3 S500;
M8;
T0101;
G0 X50;
Z-24;
G73U16W0R8
G73P10Q30U0.5W0F0.2
N10 G1X46 F0.1
Z-28 S1200;
G3 X57.9533 Z-34.5289 R6 F0.1;
X30.6575 Z-61.3314 R40;
#1=5.77;
N20 #2=0.1*[#1] *[#1];
G1 X[2*[#2]+24] Z[#1-67] F0.2;
#1 = #1-0.2;
IF[#1GE-12.65] GOTO10;
G1 X61;
N30G0 X200 Z10;
G70 P10 Q30
G0X100Z100;
M30;
程序三，是把宏程序的轮廓轨迹套用在G73循环指令里，可以自动实现粗精加工。并方便调节精加工余量，精加工转速。但在加工过程中出现故障时，程序必须从头开始启动，增加了刀具的空行程浪费时间。
五、提高加工特形曲面的精度
（一）、从程序上分析
程序一，应用了宏程序，宏程序是允许使用变量算术和逻辑及条件转移，使得编制相同加工操作的程序简便。可将类似性加工轨迹编为通用程序，如椭圆、抛物线等轨迹。使用时，只要改变赋值变量就可以将自动实现所有的零件加工。在特形面加工中宏程序应用广泛它不仅能实现一些规则特形面的加工，更能较好地完成复杂的特形面加工，保持零件的稳定性。
程序二，是采用了调用子程序和宏程序与G10可编程偏置进行有机的结合，实质是代替手工去修改摩耗利用宏程序对刀具向外所偏距离进行了，一些运算和条件判断，让刀具在原有的基础上向外偏一个数值进行循环，这种加工方法能够灵活地控制零件的尺寸精度。节约时间，保证可持续加工。
程序三，是把宏程序的轮廓轨迹套用在G73循环指令里，可以自动实现粗精加工。目前把宏程序套用在G73中实现轮廓自动粗精加工使用较为广泛。但其缺点不可以套用子程序，在加工过程若中出现故障时，程序必须从头开始启动，增加了刀具的空行程浪费时间。
从上述程序分析中不难看出，程序二集中了程序一和程序三的所有优点。即可实现多次轮廓重复调用，也可以实现粗精加工自动运行。
（二）、从刀具上分析
数控机床采用的是标准刀具机夹刀，各个刀具角度参数正确不会产生干涉，而且刀具的材料多采用涂层处理大大地加强了刀具的使用寿命及加工的质量。从而保证特形曲面的表面质量及加工需求。
（三）、从机床分析
数控机床加工的优越性，不仅是他能够解决形状复杂，一致性要求较高的单件及中小批量零件生产，而且提高生产率和加工精度，减少生产周期。随着自动编程的不断完善，对于一些高精度零件的加工已成为机床自动化的一个重要发展方向。
六、结束语
近年来，随着人们对产品的追求标新立异，使得高质量、高效益和多样化尤其是特形面在其中应用甚为广泛，对高精度、高复杂的特形曲面类零件要求越来越多，特别是特殊线型的特形曲面在机械制造与机械设计中有着特殊的地位。在数控加工中把创新工艺及加工方法作为振兴机械工业的重中之重。
【参考文献】
⑴叶伯生《数控原理》，中国劳动社会保障出版社，2006.8
⑵《异型截面零件的切削加工技术》，出处：《工具技术》1999年10期 作者：孙俊兰等
⑶徐国权《数控机床结构编程与操作》，机械工业出版社，2007.1
⑷汤习成《机械制造工艺学》，中国劳动社会保障出版社，2004.2
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