大型拋物面天線模胎數控加工技術研究

胡佰毅

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

文中論述的大型拋物面天線是在200±10℃高溫下通過模胎復合成型。天線反射面的曲面形狀為拋物面，形狀精度要求非常高。模胎是該拋物面天線曲面復合成型過程中關鍵的工裝，其毛坯采用球墨鑄鐵QT50-10 鑄造成型，為了保證天線曲面在高溫下的成型精度，相應模胎的加工精度更為苛刻。

本文針對拋物面天線模胎的結構特點和加工難點，設計數控加工工藝方案，利用我所現有的UG 軟件建模，Master CAM 軟件仿真加工和后處理，在數控立車上加工拋物面，在數控龍門銑上加工拋物線槽，實現了拋物面天線模胎的整體數控加工。

1 拋物面天線模胎的工藝分析

1.1 結構特點分析

拋物面天線模胎的結構和主要尺寸要求如圖1 所示。分析圖1 可以看出，零件屬于中空大直徑薄壁曲面鑄件，其壁厚與半徑比為1：80，為典型的薄壁零件，加工中容易產生變形。而且在Φ1600mm 的拋物面上等間距分布著200 余條細微的拋物線槽，是生產加工的瓶頸，極具加工難度。

圖1 模胎結構

其主要的結構特點及尺寸為：毛坯為鑄件，材料為球墨鑄鐵QT50-10，曲面的拋物面方程為：x2+y2=Kz（K 為一常數），粗糙度為1.6。

拋物線槽所在平面的方程為x2+y2=K（z-0.6），線槽深度0.6mm，寬度0.9mm，相互平行度小于0.05mm，兩拋物面均方根誤差在0.07mm 以內。

1.2 加工工藝難點分析

該拋物面天線模胎直徑大、壁厚薄，曲面表面的曲線槽寬度小、分布密集，而且所有曲線槽底端又形成一個拋物面，兩拋物面相對精度要求高。這些特點反映到加工上帶來的主要難點有：

1.2.1 模胎外形大，壁厚薄容易引起加工變形，影響拋物面的形狀精度，必須控制粗加工切削參數，適當增加熱處理，配合相應的輔助工裝；

1.2.2 拋物線槽分布密集，寬度尺寸小，深度較深，沒有能夠滿足加工實際所需的刀具，必須設計剛性高，特殊形狀的專用刀具；

1.2.3 拋物面的最高點到最低點所在母線的曲率不同，加工中表面粗糙度的一致性難以保證；

1.2.4 復雜曲面程序編程技術難度大，手工編程很難實現，需借助軟件編程模擬加工和后處理。

1.3 加工工藝方案設計

1.3.1 加工工藝方案分析對比

根據零件結構特點，加工難點以及機床、刀具的選擇設定了兩種可行的加工工藝方案，方案1：拋物面、拋物線槽采用整體數控銑加工；方案2：拋物面采用數控車加工，拋物線槽采用數控銑加工。兩種方案的分歧是拋物面的加工采用數控銑還是數控車，采用數控車加工拋物面有以下優點：

a）數控車編程相對簡單只需繪制出準確的拋物線；

b）采用數控車，粗加工時可以預留較小的加工余量，并且余量均勻，相應的加工應力變形較小（如圖2）；

圖2 粗加工余量

c）數控車加工，刀具沿拋物線切點做簡單的插補運動，可以選用高強度的刀具，吃刀量大，數控銑加工需要復雜的三維插補運動，機器運算量大，分層進給量小，加工效率低，增加了加工成本；

d）數控車加工拋物面回轉體表面，刀具沿回轉表面圓周切削，針對切削圓半徑的變化，用G96 指令設定恒定的線速度，并限定最高轉速3000 轉，可以獲得相對一致的表面粗糙度；

e）數控車可采用仿形加工，刀具沿著拋物面截面的拋物線從底端到頂端進行仿形加工，刀具進給是連續的，可以改善數控銑等距進給的加工殘留高度，提高表面粗糙度。

采用數控車加工拋物面工序不集中，需增加一臺設備，帶來的缺點有：

a）數控車加工完拋物面，還需在數控銑上加工拋物線槽，多使用一臺設備，工件需在兩臺設備之間周轉，加工準備時間長；

b）數控車和數控銑裝夾方式不同，采用數控車需增加工裝，提高了單件生產的附加成本。

1.3.2 加工工藝方案確定

通過上述方案的優缺點比較，結合實際情況，綜合分析，確定了第二種加工方案：即采用立式數控車加工拋物面，然后用龍門數控銑加工拋物線槽。

2 工藝過程

根據加工工藝方案，設計主要工藝過程如下：編制加工工藝流程，設計拋物線槽專用刀具，UG 軟件建模，Master CAM 軟件數控編程及優化仿真，加工和檢測。

2.1 加工工藝流程

根據模胎的結構特點和技術要求，結合確定的工藝方案設計加工工藝流程如圖3 所示。

圖3

其中，粗加工對零件加工質量影響不大，只需留足粗加工余量，為了改善切削的應力變形，粗加工后必需增加熱處理，待應力釋放后再進行精加工。拋物線槽的加工安排在拋物面精加工之后，應力變形比較小，可以一次加工完成。

2.2 設計拋物線槽專用刀具

拋物線槽的加工是整個加工的瓶頸，要求機床有2 米以上的行程，尤其對刀具的要求比較特殊。為了滿足加工要求，設計出專用刀具的主要參數，由專門廠家研磨成型，刀具結如圖4。

圖4 專用刀具結構圖

刀具材料為硬質合金YG，球頭半徑為R0.45，刀片為兩刃，螺旋升角為60°，主要特點有：

a）刀具總高50mm，刀刃長為1.5mm，直徑為Φ0.9mm，設計中采用了刀柄和刀刃大比例半徑過渡的結構，既滿足了線槽寬度的限制又便于裝夾；

b）設置了錐度，減小了大比例半徑過渡時的應力集中，增加了刀具強度，而且在加工拋物線槽時，消除曲率變化產生的干涉；

c）刀具采用兩刃利于排屑，適合加工圓弧形溝槽，耐磨性好，可以切削HRC55 以下的材料，使用最高轉速2000 轉。

2.3 UG 三維實體建模及計算

拋物面可以通過拋物線回轉實現，首先在UG 中創建拋物線需輸入參數DY（弦半徑），F（焦距），旋轉角度（θ）。DY 為已知，旋轉角度θ=0，求出F 值是關鍵。

已知拋物線方程為：x2+y2=Kz，

將拋物線方程化為標準方程：x2+y2=2Pz（P 為焦點到準線的距離，即2 倍焦距P=2F），

推出2×2Fz=Kz，

選擇頂點(0，0，0)，輸入拋物線參數，做出拋物線如圖5。

圖5 構造曲線

圖6 實體模型

拋物線通過旋轉做出拋物面，在拋物面上做拋物線槽比較困難，通過多次嘗試，簡便的方式是先在一個基準面做出平行線投影到拋物面上形成曲線，將曲線拉伸成曲線槽和拋物面求差就做出了線槽如圖6。

2.4 數控程序設計和仿真

將UG 模型導入Master CAM 程序設計軟件，從拋物面頂端Z 零點開始，設定恒定線速度沿輪廓軌跡進行粗、精加工，對拋物線槽進行數控銑一次加工成形，從頂點開始分別向兩端加工。根據機床加工參數，通過多次模擬驗證，制定加工參數如表1。

表1 加工參數表

按表1 參數制定刀路軌跡，再進行刀路軌跡模擬和實體仿真加工驗證，數控車驗證結果如圖7，數控銑驗證結果如圖8。仿真驗證完后進行后處理并生成加工程序代碼。

圖7 數控車實體模擬驗證

圖8 數控銑實體模擬驗證

3 加工和檢測

3.1 加工過程控制

按照設計的工藝流程先進行數控車粗加工，粗加工前在內腔均勻墊三個輔助支撐，多點壓裝周圍，使工件均勻受力，防止加工時向某一方向強烈變形。粗加工去除余量比較大，按機床設置相對快的進給和大的切削深度，單邊留2mm 余量，粗加工后實施退火去應力熱處理，重新打表找正，使工件的變形在粗加工的余量范圍內補償。精加工時設置相對慢的進給，較小的切削深度，以保證拋物面的加工精度和表面粗糙度。拋物面加工完后，在數控龍門銑上使用專用刀具加工拋物線槽，將拋物線槽從頂點分為兩段分別加工，銑刀從頂點切線的延長線上進刀，銑至拋物線端點的延長線上退刀（進、退刀距離均設3mm），不僅避免了干涉，還減小了切削力，為了進一步減小變形，對均布的拋物線槽跳格加工（即先逐一加工奇數槽，然后逐一填補偶數槽），按此規律加工出所有的拋物線槽。

3.2 檢驗方法及結果

4 結論

通過對大型拋物面天線的結構特點和加工難點進行分析，確定了拋物面模胎的加工方案，針對加工難點設計了專用刀具，通過MasterCAM 軟件編制數控加工程序和進行后處理，經加工達到圖紙要求。解決加工不同曲率表面粗糙度難以保證，拋物面及拋物線槽編程加工困難的問題，有效控制了薄壁加工變形，為大型復雜曲面加工積累了經驗，尤其在大型曲面加工方案和數控程序編制方面開拓了新思路。

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