摘要：针对三轴数控无法实现复合曲面加工的问题，提出在三轴联动数控铣床上增设数控回转盘，以有效拓展其加工能力的解决方案。

  
       0 引言

      随着科技的不断发展，各类异型曲面的零部件产品的应用日益广泛。对于复合曲面加工，多采用四轴或者五轴数控加工设备， 但该类设备购置周期长，费用高，大幅提升了加工成本。传统的三轴联动数控加工设备价格相对较低、使用操作简单、通用性强，但是由于受到三轴直线运动轨迹的限制，无法完全实现产品的复合曲面加工任务。

      在典型复合曲面外形加工中，采用普通的三轴数控机床，配合机床附件———数控回转盘来有效扩展其加工能力，可实现四轴联动的加工方式，在完成产品外型面整体加工的同时， 提高了设备利用率。

      1 、产品结构

      某零件外型面为典型的偏心斜颈结构，产品包括底部和颈部两部分，底部由圆柱段及椭球型面组合而成，颈部圆柱段相对于底部中轴线偏心放置，两者轴线之间存在一定夹角，各基本型面之间由过渡圆角连接而成。产品结构如图1 所示。

      图1 异型收敛段绝热层结构

      由于产品外型面由底部椭球型面与颈部偏心斜置圆柱面相贯而成，因此采用常规的三轴联动数控加工方法会出现以下问题：局部产生加工死角；采用专用工装多次换位装夹，重复定位误差大；多次加工接刀印记明显；产品加工周期长，生产效率低。

      2 、加工工艺设计

  
      通过对零件的结构分析可知，该工件以回转体为基体生成，且两端相对偏置的回转体在连接处生成了空间不可展曲面， 因此在不借助专用工装的情况下，必须采用四轴联动的加工方式来完成整体外形面的数控加工。如果在三轴数控加工机床上增加旋转轴，使得工件和刀具之间可以实现相对旋转，即可有效地解决上述诸多问题，一次装夹即可完成多处异型面的生产加工，在降低生产成本、提升劳动效率的同时全面提升产品质量。

      2.1 数控回转盘的应用

      数控回转盘为机床附件，主体为花盘式结构，台面均布六条向心螺栓安装T 型槽，用于装夹产品。数控回转盘作为机床的一个旋转坐标轴， 通过电气控制实现与设备的同步控制， 可实现0~360°的圆周回转，并且可以与其他坐标联动，使主轴上的刀具能加工到工件除安装面及顶面之外的周边部分， 除了用来进行各种圆弧加工或与直线坐标进给联动进行曲面加工外，还可以实现精确的自由分度［1］。因利用数控回转盘来进行零件装夹， 可较好地扩展三轴数控设备，完成四轴联动方式。数控回转盘实物图如图2所示。

      图2 数控回转盘实物图

      由于数控回转盘的应用，在原本的三轴直线运动轨迹基础上增设了旋转轴， 四轴联动方式下加工时，工件相对与刀具的位置不仅可以在X、Y、Z 三轴方向上联动，同时也能绕回转轴做回转运动，刀具可以到达零件圆周表面上的任意位置点，通过旋转A 轴与其他三轴的组合联动， 固定在其上的工件除底面之外，其余各表面均可由立式主轴进行加工，可加工出复杂的空间曲面，切削余量相对均匀，满足对工件表面给定的峰谷深度的需要，扩展原有设备加工范围，可以获得较好的加工精度和表面质量。三轴数控机床扩展为四轴联动示意图见图3。

      图3 三轴数控机床扩展为四轴联动示意图

      2.2 数字建模

      零件的数字化建模使用MasterCAM 软件来完成。对于复杂的空间型面建模， 需通过多曲面结合方式，根据曲面熔接技术，将组成型面的各基本曲面连接起来，形成一个图形元素，产生单一曲面模型。

      编制高质量的多轴加工程序， 以控制走刀方式、刀具运动和刀轴方向。此外，通过设置多种选项，控制刀具在走刀进程中的前、后倾角及左右摆角，改变刀具的受力情况，提升表面质量，避免刀头、刀杆与工件表面碰撞。

      2.3 刀具路径

  
      采用双边等距加工方式进行零件的曲面加工较为合理，无论在加工效率还是加工质量方面均可得到比较满意的效果。采用等距截面法的双边等距方式加工零件时的局部及整体刀具路径如图4 所示。

      产品数控加工模拟演示图见图5。在模拟过程发现，曲面加工应注意刀具与工件的接触点变化，对于整个曲面应尽可能连续加工，减少抬刀、下刀的次数，这也是采取双边等距方式加工零件的主要原因之一。此外，为了避免刀具垂直插入工件表面时产生的载荷过大现象，应采取先从工件外部下刀，然后水平切入工件的进刀方式。加工时，刀具的进给方向改变均采用圆弧或曲线转接过渡，避免采用直线转接时对刀具切削平稳性的影响，而在加工完成后退刀时，使刀具沿曲面的切矢方向退刀，这样就不会在工件表面留下驻刀痕迹。

         图4 刀具路径                   图5 产品数控加工模拟演示图

      2.4 设备及刀具

      该零件使用数控铣床XK5038 来完成。该设备为三轴联动数控铣床， 使用日本FANUC-0M 数控操作系统，可进行钻孔、镗孔、攻丝、铣加工。铣头内装有液压自动松刀机构，使刀具的装卸十分方便；铣头装卡莫氏2～3 号锥柄铣刀及φ6～20 的直柄杆铣刀。

      3 、使用数控回转盘扩展三轴机床功能结果验证及效果分析

      对零件按照最终确定的加工方式与方案进行模拟件加工，加工时，数控回转盘带动工件毛坯以X 轴为轴线进行旋转运动，机床主轴带动刀具进行Z 轴方向上的直线运动，工作台实现X 轴及Y 轴的双向直线运动，四轴联动方式下的加工全面实现，加工过程如图6 所示。最终产品实物如图7 所示。

      图6 四轴联动加工过程图

      图7 最终加工产品实物图

        该方案达到的效果：
   
      （1）加工质量明显提高。
 
      加工过程中未使用专用工装辅助加工，杜绝了换位装夹、多次找正等操作引发的多次误差积累，加工接刀现象从根本上得以避免； 由于旋转轴的介入，原来加工时的“死角”位置得以消除。
 
      （2）加工周期大幅缩短。
 
      加工周期由三轴联动加工时的3 天缩短为0.5天，提升效果明显。
 
      （3）生产成本显著降低。
 
      加工工序简化（由三轴加工时的三道工序减为一道工序）， 加工所涉及的设备由最初的两类（数控车床、数控铣床）减少为一类（数控铣床），无需设计、制作专用及各类辅助工装，从而使生产成本大幅降低。
 
      （4）劳动强度有效降低。

  
      操作者的作业时间有效缩短，产品周转、工装与设备调试、安装操作等实际作业内容有效减少，因此劳动强度大幅降低。