摘要：針對三軸數控無法實現復合曲面加工的問題，提出在三軸聯動數控銑床上增設數控回轉盤，以有效拓展其加工能力的解決方案。
0 引言
隨著科技的不斷發展，各類異型曲面的零部件產品的應用日益廣泛。對于復合曲面加工，多采用四軸或者五軸數控加工設備， 但該類設備購置周期長，費用高，大幅提升了加工成本。傳統的三軸聯動數控加工設備價格相對較低、使用操作簡單、通用性強，但是由于受到三軸直線運動軌跡的限制，無法完全實現產品的復合曲面加工任務。
在典型復合曲面外形加工中，采用普通的三軸數控機床，配合機床附件———數控回轉盤來有效擴展其加工能力，可實現四軸聯動的加工方式，在完成產品外型面整體加工的同時， 提高了設備利用率。
1 、產品結構
某零件外型面為典型的偏心斜頸結構，產品包括底部和頸部兩部分，底部由圓柱段及橢球型面組合而成，頸部圓柱段相對于底部中軸線偏心放置，兩者軸線之間存在一定夾角，各基本型面之間由過渡圓角連接而成。產品結構如圖1 所示。
圖1 異型收斂段絕熱層結構
由于產品外型面由底部橢球型面與頸部偏心斜置圓柱面相貫而成，因此采用常規的三軸聯動數控加工方法會出現以下問題：局部產生加工死角；采用專用工裝多次換位裝夾，重復定位誤差大；多次加工接刀印記明顯；產品加工周期長，生產效率低。
2 、加工工藝設計
通過對零件的結構分析可知，該工件以回轉體為基體生成，且兩端相對偏置的回轉體在連接處生成了空間不可展曲面， 因此在不借助專用工裝的情況下，必須采用四軸聯動的加工方式來完成整體外形面的數控加工。如果在三軸數控加工機床上增加旋轉軸，使得工件和刀具之間可以實現相對旋轉，即可有效地解決上述諸多問題，一次裝夾即可完成多處異型面的生產加工，在降低生產成本、提升勞動效率的同時全面提升產品質量。
2.1 數控回轉盤的應用
數控回轉盤為機床附件，主體為花盤式結構，臺面均布六條向心螺栓安裝T 型槽，用于裝夾產品。數控回轉盤作為機床的一個旋轉坐標軸， 通過電氣控制實現與設備的同步控制， 可實現0~360°的圓周回轉，并且可以與其他坐標聯動，使主軸上的刀具能加工到工件除安裝面及頂面之外的周邊部分， 除了用來進行各種圓弧加工或與直線坐標進給聯動進行曲面加工外，還可以實現精確的自由分度［1］。因利用數控回轉盤來進行零件裝夾， 可較好地擴展三軸數控設備，完成四軸聯動方式。數控回轉盤實物圖如圖2所示。
圖2 數控回轉盤實物圖
由于數控回轉盤的應用，在原本的三軸直線運動軌跡基礎上增設了旋轉軸， 四軸聯動方式下加工時，工件相對與刀具的位置不僅可以在X、Y、Z 三軸方向上聯動，同時也能繞回轉軸做回轉運動，刀具可以到達零件圓周表面上的任意位置點，通過旋轉A 軸與其他三軸的組合聯動， 固定在其上的工件除底面之外，其余各表面均可由立式主軸進行加工，可加工出復雜的空間曲面，切削余量相對均勻，滿足對工件表面給定的峰谷深度的需要，擴展原有設備加工范圍，可以獲得較好的加工精度和表面質量。三軸數控機床擴展為四軸聯動示意圖見圖3。
圖3 三軸數控機床擴展為四軸聯動示意圖
2.2 數字建模
零件的數字化建模使用MasterCAM 軟件來完成。對于復雜的空間型面建模， 需通過多曲面結合方式，根據曲面熔接技術，將組成型面的各基本曲面連接起來，形成一個圖形元素，產生單一曲面模型。
編制高質量的多軸加工程序， 以控制走刀方式、刀具運動和刀軸方向。此外，通過設置多種選項，控制刀具在走刀進程中的前、后傾角及左右擺角，改變刀具的受力情況，提升表面質量，避免刀頭、刀桿與工件表面碰撞。
2.3 刀具路徑
采用雙邊等距加工方式進行零件的曲面加工較為合理，無論在加工效率還是加工質量方面均可得到比較滿意的效果。采用等距截面法的雙邊等距方式加工零件時的局部及整體刀具路徑如圖4 所示。
產品數控加工模擬演示圖見圖5。在模擬過程發現，曲面加工應注意刀具與工件的接觸點變化，對于整個曲面應盡可能連續加工，減少抬刀、下刀的次數，這也是采取雙邊等距方式加工零件的主要原因之一。此外，為了避免刀具垂直插入工件表面時產生的載荷過大現象，應采取先從工件外部下刀，然后水平切入工件的進刀方式。加工時，刀具的進給方向改變均采用圓弧或曲線轉接過渡，避免采用直線轉接時對刀具切削平穩性的影響，而在加工完成后退刀時，使刀具沿曲面的切矢方向退刀，這樣就不會在工件表面留下駐刀痕跡。
圖4 刀具路徑 圖5 產品數控加工模擬演示圖
2.4 設備及刀具
該零件使用數控銑床XK5038 來完成。該設備為三軸聯動數控銑床， 使用日本FANUC-0M 數控操作系統，可進行鉆孔、鏜孔、攻絲、銑加工。銑頭內裝有液壓自動松刀機構，使刀具的裝卸十分方便；銑頭裝卡莫氏2～3 號錐柄銑刀及φ6～20 的直柄桿銑刀。
3 、使用數控回轉盤擴展三軸機床功能結果驗證及效果分析
對零件按照最終確定的加工方式與方案進行模擬件加工，加工時，數控回轉盤帶動工件毛坯以X 軸為軸線進行旋轉運動，機床主軸帶動刀具進行Z 軸方向上的直線運動，工作臺實現X 軸及Y 軸的雙向直線運動，四軸聯動方式下的加工全面實現，加工過程如圖6 所示。最終產品實物如圖7 所示。
圖6 四軸聯動加工過程圖
圖7 最終加工產品實物圖
該方案達到的效果：
（1）加工質量明顯提高。
加工過程中未使用專用工裝輔助加工，杜絕了換位裝夾、多次找正等操作引發的多次誤差積累，加工接刀現象從根本上得以避免； 由于旋轉軸的介入，原來加工時的“死角”位置得以消除。
（2）加工周期大幅縮短。
加工周期由三軸聯動加工時的3 天縮短為0.5天，提升效果明顯。
（3）生產成本顯著降低。
加工工序簡化（由三軸加工時的三道工序減為一道工序）， 加工所涉及的設備由最初的兩類（數控車床、數控銑床）減少為一類（數控銑床），無需設計、制作專用及各類輔助工裝，從而使生產成本大幅降低。
（4）勞動強度有效降低。
操作者的作業時間有效縮短，產品周轉、工裝與設備調試、安裝操作等實際作業內容有效減少，因此勞動強度大幅降低。
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