方迪成

（汕頭職業(yè)技術學院，廣東汕頭 515078）

0 引言

“S”試件是中航工業(yè)成飛數(shù)控加工廠創(chuàng)新設計用于檢測五軸聯(lián)動機床旋轉軸的幾何精度和插補精度的標準零件（圖1）。主體是一個呈S形走向的扭曲曲面形成的緣條，緣條與坐標平面的夾角連續(xù)變化，曲面形狀復雜。具有薄壁特征，來源于典型航空結構，在加工中機床需進行五軸聯(lián)動的坐標連續(xù)換向，能集中反映機床幾何精度、定位精度、動態(tài)特性、反向誤差等特性，加工狀況還能反映機床剛性、振動等特性[1]?！癝”試件基本已經(jīng)被國內(nèi)的航空廠商所采用，用于檢驗五軸聯(lián)動機床的加工性能[2]。

目前國內(nèi)涉及“S”試件加工研究的文獻較少。高長才[2]介紹了“S”試件加工的技術要求并分析了其加工難點；杜麗等[3]研究了“S”試件五軸聯(lián)動加工方法，并在裝備西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的機床上進行了驗證加工。對于“S”試件在國產(chǎn)數(shù)控機床上的加工研究，目前尚未檢索到國內(nèi)外相關文獻。因此，本文詳細介紹“S”試件造型方法以及在國產(chǎn)GSK25i數(shù)控系統(tǒng)上的加工工藝，并對加工過程中出現(xiàn)的加工質(zhì)量問題提出解決方案，以期為機床制造商及工藝人員提供技術參考。

圖1 “S”試件

1 “S”試件圖樣及加工要求

“S”試件看似簡單，只是一個S形的曲線，但實際上這個曲線卻非常巧妙地將飛機結構件的主要加工特征集成了起來[2]?！癝”試件零件圖如圖2所示，這是目前改進設計的“S”型試件，最大外形尺寸為300 mm×200 mm×70 mm。上部為一條側壁帶斜度的S型緣條，下部為400 mm×200 mm×30 mm長方形塊構成S試件的底座。長方形塊上設計了2個沉頭螺絲孔用于工裝夾緊，孔的大小可根據(jù)實際情況調(diào)整。左側和右側有2 mm寬、20 mm高的3D測量坐標基準面。

1.1 “S”試件實體造型

“S”試件造型在SIEMENS公司的NX軟件中完成，以下的分析及加工所涉及軟件均為NX?！癝”試件由一個呈S形狀的直紋面緣條和一個矩形基座組合而成，主要結構如圖3所示。基座及各個孔的位置如圖4所示，其中測量基準M、N邊，階差為2 mm。壓緊孔锪窩深度超過18 mm，保證壓緊螺栓不高于表面。

圖3 “S”試件結構

圖4 “S”試件底面結構

“S”試件一側直紋面（圖5）由兩條準均勻B樣條曲線進行定義，這兩條B樣條曲線分別由兩組控制點Pi和Qi（表1）定義[4]。

圖5 “S”試件一側直紋面

表1 控制點Pi和Qi

“S”試件另一側直紋面（圖6）也由兩條準均勻B樣條曲線進行定義，這兩條B樣條曲線分別由兩組控制點Mi和Ni（表2）定義。

圖6 “S”試件另一側直紋面

表2 控制點Mi和Ni

以上述兩側直紋面構成S緣條曲面，填充得到S試件造型，如圖7所示。

圖7 “S”試件造型

1.2 “S”試件加工技術要求

“S”試件材料采用鋁合金7075-T7451，使用指銑刀側刃與S形緣條型面貼合一刀完成試件精加工。對緣條型面的外觀、緣條型面的表面粗糙度、緣條厚度和緣條型面的輪廓誤差等指標如下。

（1）緣條型面光潔度：緣條型面應光順，無切傷痕跡，宜無接刀痕跡；表面粗糙度不大于Ra3.2。

（2）緣條厚度：每條截線上任選10個點，共計30個點位置處的緣條厚度用壁厚卡尺進行測量，每個點位厚度值為3±0.1 mm。

（3）型面輪廓誤差采用三坐標測量機測量，沿S形緣條高度方向取三條截線，共計75個點，每個點位的輪廓誤差值宜小于±0.05 mm，若有個別點位的輪廓誤差值超差，超差點位數(shù)應小于5，最大誤差值應小于±0.08 mm[5]。

2 “S”試件加工工藝設計

2.1 工藝分析

S形曲面由上下邊界樣條曲線構成母線，沿母線掃略構成。這兩條曲線在高度上是平行線，而向下投影到平面上可以看出是不平行的，這樣的兩條曲線生成的曲面在空間上有扭曲，因此曲面是非可展直紋面，如圖8所示。

圖8 非可展直紋面

圖9 所示為NX軟件分析S試件的高斯曲率。加工中S形面是由圓柱立銑刀側刃切削出來。立銑刀的圓柱面是一可展曲面，而S形面是非可展直紋面。用立銑刀圓柱面切削扭曲狀直紋面，不可能做到不過切，其過切的面積最好情況下也會有70%，這是切削原理性誤差。從圖中可以看出曲率最大的部分分布在S形面中段的地方，此處扭曲最大，過切的情況也將最為嚴重。

圖9 “S”試件高斯曲率

圖10 S試件斜率

圖10 所示為S形面相對于豎直方向的斜率，斜率范圍在-11.892°～+13.666°之間。斜度決定這刀具加工所需要的傾斜角度，一般是由機床擺動軸控制。

分析“S”試件型面與上邊界樣條曲線的曲率，如圖11所示，應用NX軟件的面曲率與線曲率分析工具，可以看到曲面的變化與曲線所在的水平面上均布顯示出曲率梳，曲率梳由很多垂直于曲線的直線組成，其長度代表著該點的曲率大小。圖中可以看到S試件曲率變化豐富（數(shù)值變化和方向改變）。

圖11 “S”試件曲率

曲率的變化會使得刀具相對于工件不斷發(fā)生旋轉，曲率越大旋轉速度越快。但是要滿足快速的旋轉速度同時保持高精度的要求，則需要機床的伺服系統(tǒng)有著極高的響應水平。

“S”試件作為復雜非可展曲面，邊界曲率和型面連續(xù)性變化豐富，能夠覆蓋全面的機床動態(tài)剛度和運動姿態(tài)，完整反映五軸機床的聯(lián)動特性和綜合精度，對機床要求甚為嚴格。

2.2 加工工序

“S”試件的加工工序由制備毛坯、粗加工、精加工定位底面、精加工緣條側面、精加工測量基準等步驟組成。

（1）制備毛坯

“S”試件毛坯如圖12所示，材料使用航空鋁合金7075-T7451預拉伸板，規(guī)格為300 mm×200 mm×70 mm，基準面平面度要求不超過0.05 mm，壓緊孔可根據(jù)機床實際情況定制2-φ18锪窩32 mm深60 mm孔。

圖12 “S”試件毛坯

（2）粗加工“S”試件采用三軸程序粗加工“S”試件，去除大部分材料?？紤]到鋁合金材料預拉伸板必須經(jīng)過軋制、固溶、拉伸、時效等一系列工藝流程，在這些過程中因存在不均勻的溫度場和不均勻的彈塑性變形，板內(nèi)產(chǎn)生了大量殘余內(nèi)應力[6]。在加工過程中，隨著材料的不斷去除，板內(nèi)內(nèi)應力逐步釋放并進行重分布，原來的應力自平衡狀態(tài)遭到破壞，工件只有通過變形才能達到新的平衡狀態(tài)。為了使得變形后仍然有充足的余量，依據(jù)經(jīng)驗給S緣條側面留加工余量2 mm，底面留加工余量1 mm。粗加工參數(shù)根據(jù)機床、刀具情況確定。粗加工結果如圖13所示。

圖13 “S”試件粗加工

（3）精加工定位底面上一步驟去除了大部分材料，材料變形到穩(wěn)定的過程需要一定的時間，將工件拆卸下，靜置一段時間后在進行，待變形基本穩(wěn)定下來，再對加工基準平面進行無應力裝夾修正加工，消除加工變形等因素干擾。加工示意如圖14所示。

（4）精加工“S”試件緣條側面

將粗加工好的工件安裝到五軸聯(lián)動加工機床工作臺鎖緊，重新找正。使用五軸聯(lián)動功能，立銑刀側刃精銑S試件緣條側面。

主要的編程要求如下：編程公差根據(jù)機床參數(shù)設置確定不低于0.01 mm；主軸轉數(shù)采用主軸常用加工轉數(shù)，不低于最大轉數(shù)的75%；進給率方面每齒進給量不低于0.05 mm。為了保證精加工余量均勻，可增加半精加工。加工仿真如圖15所示。

圖14 精加工定位底面

圖15 精加工“S”試件緣條側面

（5）精加工“S”試件的基準面

在五軸機床上用三軸聯(lián)動程序精銑S試件測量基準。其主要的編程要求：

基準平面使用平面加工方式，精銑Z=0平面，保證平面度要求；基準邊使用輪廓銑，精銑測量基準邊。加工示意如圖16所示。

圖16 精加工S試件的基準面

2.3 確定定位及裝夾方案

該工件結構簡單，但需要保證裝夾不會使得材料發(fā)生變形，還要保證加工過程中工件不會發(fā)生位移。裝夾采用2顆M16內(nèi)六角螺釘與T形螺母，穿過材料上事先加工好的沉頭孔，將工件毛坯壓緊固定于機床旋轉工作臺上。然后通過百分表測量和調(diào)整旋轉工作臺角度將工件擺正，將工作臺的偏轉角度輸入到系統(tǒng)坐標系偏置中。再將工件進行分中找出工件原點在機床坐標系中的值，輸入到系統(tǒng)坐標系偏置中。

2.4 刀具選擇

“S”試件所選用的材料是7075鋁合金材料。7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，強度高，硬度一般在150 HB左右。加工鋁合金的精度要求不高時，刀具材料可選用W18Cr4V高速鋼和YG6、YG8、YG8N等硬質(zhì)合金[7]。

鋁合金的強度和硬度較低，宜選取更大的前角γ0。粗加工時取γ0＝20°～25°，精加工時取γ0＝25°～30°，切削刃要求磨得鋒利，刀具表面粗糙度值要小[7]。由于鋁合金的彈性模量較?。s為70 MPa），只有45#鋼的1/3左右[8]，由工件彈性恢復產(chǎn)生的后面摩擦更為嚴重，所以應選取較大的后角α0[9]，粗車時取α0＝8°～10°，精車時取α0＝10°～12°，刃傾角λs一般取λs＝0°～10°，粗加工取小值，精加工時取大值。

綜合以上分析以及經(jīng)濟性考慮，刀具材質(zhì)選用無涂層細晶粒硬質(zhì)合金。刀具規(guī)格兼顧粗加工效率和精工精度，選擇直徑20 mm的4刃立銑刀。

2.5 切削用量選擇

切削進給量要足夠大，以保證刀具切削連續(xù)，而不是與工件摩擦[10]。由于鋁合金的硬度較低，且導熱性較好，宜進行較高速度切削。與切削45#鋼相比，切削硬鋁的切削速度可提高3倍左右。

加工所選用的機床是北京機電院生產(chǎn)的XKR40型五軸加工中心。機床結構為動梁式、AC旋轉軸雙轉臺五軸機床。其主軸為BT40機械主軸，用來進行加工的最高的轉速為6 000 r/min。刀具選用帶R3圓角的φ20 mm的4刃硬質(zhì)合金立銑刀。

（1）計算φ20銑刀在轉速n為6 000 r/min銑削速度為：

Vc=Dπn/1 000≈376.8 m/min

（2）進給速度F計算[7]：

F粗=nfzz=2 400～14 400 mm/min

F精=nfzz=720～2 400 mm/min

（3）背吃刀量選擇：對于銑削來說，吃刀量分為切削深度（ap），切削寬度（ae）。使用的組合形式有3種：淺切深大切寬；適中的切深和切寬；大切深小切寬。

①淺切深大切寬的吃刀量用法，適合于加工高硬度材料，是通過減少刀刃與工件的接觸長度，提高切入壓強，達到輕松切除材料的目的。此法缺點是刀尖部分長時間參與切削，沖擊大，容易磨損，刀具使用壽命不長，且切屑為碎屑狀，不便于機床清理。

②適中的切深和切寬的吃刀量用法，其金屬切除率比較高。切屑為片狀箔片，占用容屑槽空間大，容易引起容屑槽堵塞，以及切屑夾刃引起刀刃崩口。切削阻力大，通常會降低進給速度。

③大切深小切寬的吃刀量用法，在切削中充分使用了切削刃的長度，刀刃的使用壽命同步。切屑為細長條箔片，占用容屑槽空間小，不易引起容屑槽堵塞，且使得機床打掃容易。小切寬的切削寬度（ae）一般只占到刀具直徑的10%以下，實際的每齒進給量要比進給方向上的進給量要小的許多，所以在粗加工中可以大幅提高進給速度。另外由于參與切削的刀刃長度比較長，切削連續(xù)性比較好，沖擊要小。

根據(jù)S試件的材料，應選擇第2種或第3種吃刀量用法，尤其以大切深小切寬的吃刀量用法最為合適。

2.6 擬定保證加工精度的方法

本次加工S試件選用的機床是一臺搖籃式雙轉臺五軸加工中心（圖17），配備 GSK25i數(shù)控系統(tǒng)。要保證S試件的加工精度，需要從以下3個方面進行調(diào)整優(yōu)化：機床各項精度調(diào)整；伺服性能調(diào)整；五軸功能的使用。

機床精度調(diào)整涉及到的直線軸之間的垂直度、主軸軸線的垂直度、轉臺旋轉軸線的平行度、各軸的反向間隙大小和機床安裝水平在機床制造和安裝過程中就應保證。在系統(tǒng)中還應對各運動軸進行反向間隙補償、螺距補償。對于五軸機床還有兩項重要的轉臺數(shù)據(jù)要經(jīng)過準確測量，這兩項分別是轉臺中心的機械坐標位置和兩個旋轉軸之間相隔的距離。這兩項數(shù)據(jù)精確與否關系到系統(tǒng)運行到五軸聯(lián)動RTCP（Rotation Tool Center Point）刀具中心點控制功能能否正確控制刀具運行到正確的位置點上去。

對機床伺服參數(shù)進行優(yōu)化。例如進行反向躍沖補償，加速度、電流增益、速度增益、位置增益進行優(yōu)化，一般需用球桿儀進行檢驗。使伺服達到最佳狀態(tài)。

加工S試件有運用到五軸聯(lián)動RTCP刀具中心點控制功能，指令是G43.4。其作用原理是依據(jù)規(guī)定：“在確定機床坐標系的方向時規(guī)定：永遠假定刀具相對于靜止的工件而運動。”。運用應用了RTCP模式后，5坐標加工就可以直接針對刀具中心編程，而不是旋轉軸的轉動中心?？梢詰每臻g3維刀具長度補償。這樣使得編程變得簡單許多。

RTCP功能可以使刀具軸在旋轉的過程中，刀尖始終保持在正確的運動軌跡線上。沒有開啟RTCP功能時，程序實際的控制點是旋轉中心，程序從起點到終點旋轉中心軌跡是條直線，但是刀尖點軌跡是條弧線。在開啟RTCP功能時刀尖控制點打開的情況下，程序實際的控制點是刀尖，從起點到終點刀尖的軌跡是條直線。通過以上比較不難發(fā)現(xiàn)具有RTCP功能的加工精度要高于不具有RTCP功能的加工精度。

圖17 加工機床

另外還需要開啟旋轉軸濾波功能。旋轉軸濾波器功能是使旋轉軸指令（刀具姿勢變化）平滑（濾波器連接）、使旋轉軸平滑動作、獲得平滑加工面的功能。使功能有效，即使執(zhí)行旋轉軸指令的平滑化，刀尖點的軌跡按照指令路徑執(zhí)行動作。

對存在不連續(xù)的旋轉軸指令（刀具姿勢變化）的加工程序或單位時間的旋轉軸的角度變化量（刀具姿勢變化量）不定的易引起進給軸負載變化，使得刀具-零件組成的切削系統(tǒng)經(jīng)過能量集中的位置時易引發(fā)震蕩，對應S試件引起顫振，造成零件表面波紋度變差（圖18）。

圖18 零件表面波紋度

3 數(shù)控加工程序

3.1 粗加工

對“S”試件進行加工編程首先要進入NX軟件CAM加工模塊，創(chuàng)建刀具、放置加工坐標系、工件幾何體的指定等準備工作。編程內(nèi)容主要為固定軸型腔銑進行粗加工與可變刀軸輪廓銑進行緣條的側刃銑削。

粗加工策略采用大吃深小步距，切削深度設為整個葉片高度，步距設為刀具直徑的10%。切削模式選擇擺線，步距限制100%，擺線向前步距5%刀具直徑。生成刀軌如圖19所示。

圖19 粗加工刀軌

擺線方式加工中擺線刀路可以改善刀具被工件材料包埋時的工況，可以維持穩(wěn)定切削量，避免了狹窄處切削量激增。雖然擺線刀路長度有所增加，但整個加工過程的進給速度可以穩(wěn)定在一個較高的水平，反而提高了加工效率。

3.2 精加工緣條

NX軟件有多種可變刀軸加工策略可用于側銑緣條。選用曲面驅動、刀軸側刃驅動、投影側刃劃線方法編程，編程公差設置為±0.003 mm，劃線類型選擇“基礎UV”，如圖20所示。

圖20 可變刀軸加工策略

操作產(chǎn)生好的刀軌再經(jīng)定制的五軸后處理得到的生成NC程序，在加工時后會發(fā)現(xiàn)，在一個被稱之為曲面拐點的地方（有的稱為奇異區(qū)域）突然發(fā)生了100°的旋轉，從而在工件上留下刀痕（圖21），在雙擺頭五軸機床上加工出現(xiàn)明顯的過切（圖22）。

圖21 加工刀痕

圖22 加工過切

檢查NC程序，該位置的程序段N0631～N0635如下：

N0629 X155.1121 Y109.0491 Z.2688 C115.05 A-1.54

N0631 X156.0798 Y103.9174 Z.1019 C103.7 A-.584

N0633 X156.5613 Y101.3554 Z.0346 C52.255 A-.198

N0635 X157.0452 Y98.8009 Z.0797 C327.025 A-.457

N0637 X157.5358 Y96.2541 Z.1597 C314.979 A-.915

可以發(fā)現(xiàn)直線距離只有5 mm，而C軸出現(xiàn)一個接近100°的跳躍值。對于采用RTCP功能控制加工時程序中的F值控制的是直線距離的速度，旋轉軸必須跟隨完成，這就會造成機床C軸快速旋轉，加工時由于出現(xiàn)擺角快速旋轉而造成零件銑傷。

此部分刀軸矢量曲線非常接近極點 （0，0，1），即機床奇異點區(qū)域。奇異點區(qū)域的刀路會使得C軸產(chǎn)生劇烈的運動。這對數(shù)控系統(tǒng)的刀路平滑、進給速度的自適應規(guī)劃以及伺服系統(tǒng)、機床性能都有很高的要求，若要從以上幾個方面解決幾乎是不可能的。通過改變側銑緣條策略，驅動方法選用曲面驅動，投影矢量可以選擇刀軸，刀軸選用相對于驅動體，側傾角設為90°。加工策略選擇如圖23所示。生成的程序在奇異點處A軸角度從負角度過渡到正的角度，C軸沒有大的角度變化，如下所示：

N4953 X156.4308 Y102.0354 Z.0414 C104.184 A-.237

N4955 X156.548 Y101.4083 Z.0213 C104.195 A-.122

圖23 可變刀軸加工策略

N4957 X156.6652 Y100.7816 Z.0013 C104.21 A-.007

N4959 X156.7239 Y100.4685 Z.0087 C104.218 A.05

N4961 X156.7827 Y100.1555 Z.0187 C104.228 A.107

N4963 X156.9004 Y99.5299 Z.0386 C104.249 A.221

實際加工出來的“S”試件在此處的奇異區(qū)位置過切痕跡消除，光潔度也非常理想，如圖24所示。經(jīng)三坐標測量機測S形面數(shù)據(jù)點的結果，誤差都在±0.05 mm以內(nèi)，符合《五軸聯(lián)動數(shù)控銑床加工精度測試規(guī)范》技術標準。

圖24 兩種加工策略加工結果對比

4 結束語

“S”試件能綜合考察多軸機床聯(lián)動加工能力和控制系統(tǒng)功能，同時對加工工藝也是一種挑戰(zhàn)。本文介紹了“S”試件的零件特點及其加工要求，分析了其在五軸數(shù)控機床上的加工難點并制定了加工工藝方案。針對S試件加工精度與光潔度要求，正確運用五軸聯(lián)動RTCP刀具中心點控制功能和旋轉軸濾波功能，改進編程工藝，使得刀具側刃盡可能地貼合S型面母線方向加工，減少了原理上的誤差，刀具平順通過奇異區(qū)消除了奇異區(qū)位置過切，提高了光潔度。加工完成后的“S”試件經(jīng)三坐標測量出的誤差完全符合技術要求。