李文杰 余小兵 李崇智 田靜 胡余平

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

非整圓的圓弧面結(jié)構(gòu)在機械零件中比較常見。外圓弧加工通常工藝方法是不連續(xù)的弧面圍繞工件工裝回轉(zhuǎn)中心，采用車削的方式加工，一方面解決單件加工難裝夾的難題，另一方面走刀一次可以加工多件產(chǎn)品[1]。內(nèi)圓弧加工通常工藝方法是工件不動，刀具繞圓弧的回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)進行鉆孔或鏜削加工。大型零件圓弧面車削加工需要有滿足工件回轉(zhuǎn)半徑的大型車床，結(jié)構(gòu)特殊的圓弧結(jié)構(gòu)零件還要制作復(fù)雜的裝卡工裝。外形尺寸大的特殊零件，通過工件回轉(zhuǎn)方式加工難度較大，特別是單件或小批量生產(chǎn)模式下，其加工制造成本很高。此外圓弧半徑測量較難，僅通過圓弧樣板來檢驗，只能大致上觀測到圓弧面是否合格，并不能獲得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)[2]。降低該類零件制造成本，控制圓弧面加工精度就成為該類零件加工面臨的問題。

通過分析數(shù)控銑削圓弧半徑編程尺寸精度對形狀的影響，結(jié)果表明數(shù)控銑削圓弧程序精度不僅僅影響零件的尺寸加工精度，有時還會影響到零件形狀[3]。分析不同方式的插補后加減速控制對加工精度影響，結(jié)果表明圓弧走刀路徑按指數(shù)函數(shù)插補方式進行，插補后加減速的控制方式指令軌跡與實際軌跡有較大偏離，而直線型插補后加減速的控制方式指令軌跡與實際軌跡基本重合[4]。

基于上述現(xiàn)狀開展大型板類零件圓弧面銑削加工研究，從加工原理、程序設(shè)計、機床精度、誤差分析等方面進行剖析，研究該類零件圓弧面加工技術(shù)及應(yīng)用。以解決該類零件單件加工模式下，加工周期長、制造成本高、精度控制難的問題。

1 結(jié)構(gòu)簡介

1.1 結(jié)構(gòu)特征

大型板類零件為薄板類結(jié)構(gòu)，寬度兩側(cè)為同心外圓弧面，長度方向有內(nèi)圓弧面，見圖1。該類零件常用于液壓機支承部位。內(nèi)圓弧面、外圓弧面與相關(guān)零件有較高的配合精度。

圖1 大型弧面板結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of large arc surface plate

1.2 精度指標(biāo)

圖2 結(jié)構(gòu)簡圖Figure 2 Structure diagram

2 工藝分析

2.1 內(nèi)圓弧工藝方案分析

內(nèi)圓弧面加工方案有兩種方案：鏜削加工方案、銑削加工方案。

內(nèi)圓弧銑削加工是在數(shù)控機床上采用帶R的銑刀盤。R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。但刀具結(jié)構(gòu)受圓弧面空間限制，加工中須避免刀具與工件干涉。圓弧銑削對刀具的精度要求高。銑削的輪廓精度控制難度大。

2.2 外圓弧工藝方案分析

外圓弧面加工方案有兩種：車削加工方案、銑削加工方案。

外圓弧車削加工方案是工件繞圓弧的回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)運動進行車削加工。但該類型零件的回轉(zhuǎn)半徑較大，回轉(zhuǎn)中心不在工件本體，車削加工需要滿足回轉(zhuǎn)半徑的大型車床，并且還要制作復(fù)雜的工裝，見圖3。車削用工裝兩端要有車削工藝卡頭，卡頭上設(shè)置中心孔，中心孔與工件圓弧回轉(zhuǎn)中心重合，工裝與工件厚度端面定位，工裝根據(jù)工件重量分布進行配重設(shè)置，保證車削加工平衡。這類工裝外形尺寸大，重量重，其制造成本往往高于零件自身的價值。特別是單件生產(chǎn)模式下，車削工裝為一次性使用，工裝費用投入較大，零件加工制造成本很高。

圖3 車削裝卡示意圖Figure 3 Schematic diagram of turning clamping

2.3 加工方案評估

根據(jù)內(nèi)圓弧面、外圓弧面工藝性，從加工難易程度、刀具要求、工裝要求、精度控制難易程度、檢驗方法、機床選擇、周期、成本等方面對幾種加工方案進行比較，見表1。

表1 幾種工藝方案的綜合比較Table 1 Comprehensive comparison of several technological schemes

綜合評估，內(nèi)外圓弧面采用銑削加工方案，制造周期短、制造成本更低，是合理的工藝方案。但銑削輪廓精度控制難度大，需要在精度控制方面進行研究分析，并采取應(yīng)對措施。

3 銑削工藝方案

根據(jù)上述工藝分析，內(nèi)外圓弧面采用銑削方案加工。結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點，以內(nèi)外圓弧面三軸數(shù)控機床銑削加工為研究對象，通過研究數(shù)控走刀方式、刀具選擇、刀具切削殘留、精度控制、檢測方法等對加工精度的影響，探索最優(yōu)的工藝方案，解決該類結(jié)構(gòu)三軸數(shù)控機床銑削加工難題。

3.1 內(nèi)圓弧加工方案

(1)內(nèi)圓弧面粗加工余量設(shè)置

零件為板類件，其內(nèi)圓弧面為臺階面過渡部位，切削時零件容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，零件粗加工階段需要粗加工內(nèi)圓弧面，單邊留余量3 mm，進行人工時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。人工時效后進行一次半精銑加工，單邊留余量1 mm。

(2)銑削程序設(shè)置

根據(jù)等殘留高度的自由曲面三軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃研究[6]，沿內(nèi)圓弧面的法矢方向?qū)⑶嫫靡粋€刀具半徑值，得到該曲面的偏距面，在偏距面上基于等殘留高度來規(guī)劃刀具軌跡，見圖4。通過數(shù)控程序圓周分度密化輪廓曲面。選用數(shù)控龍門銑鏜床，機床為X、Y、Z三軸聯(lián)動。避免機床圓弧插補，有利于保持較好機床加工狀態(tài)和插補精度。機床三個軸的循環(huán)運動次序為：Y軸直線插補走刀1677 mm→X軸和Z軸聯(lián)動一個步距角θ插補→Y軸直線插補走刀1677 mm。

圖4 內(nèi)圓弧銑削加工示意圖Figure 4 Schematic diagram of milling of inner arc surface

(3)刀具選擇

選擇R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。但刀具結(jié)構(gòu)受圓弧面空間限制，加工中須避免刀具與工件干涉，選用圓刀片平面銑刀盤是加工該結(jié)構(gòu)的有效刀具。

(4)消除刀具誤差有利于提高加工面的精度

根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)，刀具制造精度和每個刀齒的安裝精度具有一定的誤差，見圖5。該誤差為刀具制造安裝誤差無法消除，這種刀具誤差對加工圓弧的形狀精度誤差成倍放大?？赏ㄟ^測量每個刀齒在圓周上軸向跳動、徑向跳動判定刀具精度情況。當(dāng)跳動值>0.01 mm，圓弧面銑削精度將無法滿足尺寸精度要求。為消除這種誤差，刀盤上只保留一個刀片，其余刀片全部拆除，加工時始終是一個刀片加工圓弧，從而消除刀具誤差的影響。

圖5 刀具誤差檢測示意圖Figure 5 Schematic diagram of cutter error inspection

(5)計算數(shù)控程序段間的相鄰步距角產(chǎn)生刀具加工殘留

加工完的輪廓在相鄰的步距角間會產(chǎn)生加工殘留高度，如圖4所示。刀具殘留的高度直接影響加工表面粗糙度值，步距角越小，刀具殘留值也隨之變小，但走刀次數(shù)將增加，加工周期長，加工成本上升。因此保證表面粗糙度前提下，應(yīng)選擇較大的步距角。數(shù)控程序步距角的選擇根據(jù)刀片直徑、圓弧面半徑R40H8確定。選?10 mm圓刀片，不同的步距角角度，精確計算其加工殘留高度值，結(jié)果見表2。根據(jù)計算結(jié)果，步距角取值0.3°時，殘留高度Ra0.8 μm，低于最終表面粗糙度Ra1.6 μm，可以滿足加工需要。

表2 步距角對殘留高度的影響結(jié)果Table 2 Effect of step angle on residual height

加工過程中尺寸測量及控制。內(nèi)圓弧面圓心角為127°的小半圓結(jié)構(gòu)，圓弧半徑尺寸無法直接測量，粗加工階段，在圓弧長度方向留50 mm的工藝料頭，使內(nèi)圓弧圓心角大于180°，便于內(nèi)徑千分尺測量圓弧直徑，見圖6。精銑內(nèi)圓弧面前，先在工藝料頭段進行試加工，走程序半精加工內(nèi)圓弧槽，使用內(nèi)徑千分尺測量內(nèi)圓弧面直徑尺寸，確定精確的加工余量值，去除工藝料頭后修改程序參數(shù)再精加工。精加工后，最終檢驗通過制作弧形樣板、激光跟蹤儀檢測形狀和尺寸精度。

圖6 內(nèi)圓弧面尺寸測量Figure 6 Dimensional measurement of inner arc surface

3.2 外圓弧加工方案

(1)外圓弧面粗加工余量設(shè)置

零件為板類件，精加工避免工件內(nèi)應(yīng)力的影響，零件粗加工外圓弧面留余量3 mm，進行人工時效處理消除內(nèi)應(yīng)力。人工時效后進行半精銑和精銑加工。

(2)銑削程序和刀具軌跡設(shè)置

以三軸機床加工為研究對象，采用銑削加工方式完成外圓弧面精加工，見圖7。銑削加工是通過數(shù)控插補運動銑削圓弧面，外圓弧面刀具軌跡有圓弧插補、直線插補兩種方式，見圖8。圓弧插補走刀方式加工精度受到機床摩擦力、反向間隙、機床增益、切削運動加速度等影響，并且隨著加工圓弧尺寸增大，圓柱度誤差隨之增大。直線插補走刀方式加工可以減少機床插補次數(shù)，有利于保持較好機床加工狀態(tài)和插補精度。機床三個軸的循環(huán)運動次序為：X軸直線插補走刀5300 mm→Y軸和Z軸聯(lián)動一個步距角θ插補→X軸直線插補走刀5300 mm。

圖7 外圓弧三種銑削示意圖Figure 7 Schematic diagram of three kinds of milling of outer arc surface

(3)刀具選擇

選擇R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。該圓弧面加工可采用的刀具有球頭銑刀、圓刀片面銑刀、圓刀片銑刀盤等，刀具R半徑越大，刀具切削殘留量越小。圖6所示的三種刀具加工原理相同，但球頭銑刀對機床轉(zhuǎn)速要求更高。綜合比較圓刀片面銑刀的剛性好，轉(zhuǎn)速需求容易滿足。

(a)圓弧插補(G2/G3)刀具軌跡

(4)刀具及切削用量的選擇

(5)計算數(shù)控程序段間的相鄰步距角產(chǎn)生刀具加工殘留

表3 步距角對殘留高度的影響結(jié)果Table 3 Effect of step angle on residual height

(6)刀具精度對加工表面精度的影響

圓弧的圓心角較小，根據(jù)模擬計算，刀具刀齒軸向跳動誤差對圓弧面的影響可以忽略。但刀具刀齒徑向跳動誤差直接影響圓弧面的表面粗糙度和尺寸誤差，如圖9所示。由此可見刀齒徑向跳動誤差不但對微觀表面粗糙度產(chǎn)生較大影響，而且對尺寸精度產(chǎn)生影響。因此控制刀具精度是保證加工表面精度的關(guān)鍵因數(shù)之一。加工前檢測刀盤上各刀齒的徑向跳動值，保證徑向跳動誤差<0.01 mm。當(dāng)?shù)毒哒`差無法消除時，通過減少刀盤齒數(shù)方式，保留一個刀片，從而完全消除這種誤差。加工時始終是一個刀片加工圓弧，從而達到理想的加工表面。

圖9 刀齒徑向跳動對加工表面的影響Figure 9 Influence of the radial runout of cutter tooth on the machined surface

(5)外圓弧位置精度控制

圖10 外圓弧面精度控制方案Figure 10 Accuracy control scheme of outer arc surface

6 方案實施

內(nèi)外圓弧面的加工技術(shù)應(yīng)用于某大型壓力機支承板的加工，工件材質(zhì)30Cr2Ni2MoV，Rm≥1070 MPa。加工設(shè)備選用XK2125×80大型數(shù)控龍門銑鏜床，機床為X、Y、Z三軸聯(lián)動，機床允許轉(zhuǎn)速800 r/min。

內(nèi)圓弧面R40H8加工選用某圓刀片平面銑刀，刀具直徑?160 mm，刀片半徑R6。實測刀盤各刀齒軸向跳動、徑向跳動誤差為0.01～0.03 mm，無法滿足加工刀具精度的要求。實際加工中保留一個刀片，其余刀片拆除，將刀具軸向和徑向誤差消除為0。相鄰刀軌步距角取值0.3°，切削用量ap=0.1 mm，vc=120 m/min，fz=0.08 mm。

采用上述工藝方案，在XK2125×80數(shù)控龍門銑鏜床完成了板類件內(nèi)圓弧面、外圓弧面的高精度銑削加工，加工后用對比塊檢查粗糙度，用樣板檢測圓弧面形狀，用激光跟蹤儀在圓弧測量若干點，找出圓弧最佳圓心坐標(biāo)，通過計算得出圓弧半徑、輪廓度、形狀精度[7]。尺寸、粗糙度、圓柱度檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 圓弧面檢驗數(shù)據(jù)Table 4 Inspection data of arc surface

7 結(jié)論

(1)三軸數(shù)控機床圓弧銑削采用程序步距角密化加工方式，其加工精度優(yōu)于圓弧插補加工精度。

(2)圓弧輪廓銑削刀具精度對圓弧面的尺寸精度、粗糙度影響很大。通過減少刀片數(shù)量，能夠消除刀具誤差，提高圓弧面的加工精度。

(3)數(shù)控程序圓周方向分度密化，減小步距角有利于減小刀具切削殘留高度，提高圓弧表面加工質(zhì)量。

(4)圓弧面加工過程的檢測和余量計算是保證圓弧面精度的重要輔助手段。