弓弦切曲線喇叭制造工藝研究

■中國電科集團第38研究所 （安徽合肥 230088） 何章峰 鄭 杰 馬數和

弓弦切曲線喇叭制造工藝研究

■中國電科集團第38研究所 （安徽合肥 230088） 何章峰 鄭 杰 馬數和

摘要：弓旋切曲線喇叭結構復雜、精度高，普通設備加工困難。通過發掘現有設備潛能，進行工藝優化，取得了較好的加工結果。

零件內腔由光滑曲線組成，因此普通機床無法加工成形。根據現有設備，選擇加工精度高、運算速度快、加工效率高的哈挺QUEST 8/51數控車床加工。結合多年的生產經驗，開創性地編制出可以實現變量賦值，還可以進行邏輯運算的宏程序，實現了曲線加工。另外，利用工件轉換、表格式計算等方法，克服了深孔小腔體的測量難點，最終所有尺寸均滿足圖樣要求。

1. 工藝方案比較

零件外形一端為長95mm、φ69-0.1-0.2mm―48.50-0.1mm×48.50-0.1mm漸變矩圓變換體（見圖1），尾部φ43mm內腔為y=1.75+0.145x+ 1 7 . 9 7 5 e x p（0 . 0 9 2 x - 1）/ （exp8.94-1），x∈[0，95]，弓旋切曲線喇叭腔，形式復雜，精度要求高，查看相關文獻資料，目前在國內沒有類似設計。本項目就該喇叭腔的精密制造成形進行攻關。

針對該弓旋切曲線的結構特點，提出兩種成形工藝方案：分段加工焊接成形和整體加工成形。下面就各自工藝特點進行分析。

（1）分段加工焊接成形：采用拼焊結構，此加工方法將該喇叭分解為兩個部分，一部分為喇叭腔，一部分內腔四處支耳，先將兩部分分別加工后，最后精密焊接成形（見圖2）。但是這種加工方法帶來的缺陷有以下幾點：①零件加工難度大，不易達到設計要求，無法滿足圖樣要求。②焊接尺寸不易控制，易變形，且變形后無法再次通過技術手段彌補。③加工周期長，加工成本很高。

鑒于以上缺點及多方面不可預知的因素，分段加工焊接成形的方案被放棄。

（2）整體加工成形：整體加工成形技術就是利用數控車床、數控銑床以及數控慢走絲機床的特點，針對復雜曲面進行一次加工成形。整體加工雖然程序編制較為復雜，且零件的裝夾問題有待解決，但是整體成形的零件加工變形不大，尺寸精度容易控制，在必須保證質量的前提下，最終選擇整體加工成形方案對該喇叭進行技術攻關。

（3）兩種成形方法對比：兩種成形方法的對比如表1所示。

圖1

圖2

表1　成形方法對照表

2. 整體加工成形工藝路線設計

經過對該喇叭腔的分析，此零件為內部弓弦切曲線喇叭形結構（見圖3），外形為傾斜面，內部為喇叭與直線圓相交結構，合理地安排工

藝方法至關重要。零件內喇叭采用數控車利用宏程序直接車出，喇叭開口處留有裝夾法蘭，數控慢走絲分兩次切割直線段和圓錐內腔，高速銑裝夾法蘭加工底面結構及4處小凸臺，最后再切掉裝夾法蘭。

整體工藝路線為：粗車外圓，中心鉆孔→利用數控車粗車喇叭旋切弧形面，單邊留精加工余量0.5mm→在不改變材料狀態和硬度的情況下去應力退火→數控車精車喇叭腔旋切弧形面→數控線切割內腔方孔及筋條→數控銑內腔2處圓支柱→鏜孔。

整個加工過程的關鍵就是如何對弓弦切曲線喇叭內腔利用數控車床進行整體成形加工。

圖3

3. 加工設備的選擇

在數控車車床選擇上，選擇分廠內功能齊全、精度最高的哈挺QUEST 8/51。該設備是由美國哈挺（HARDINGE）公司制造的高精度車銑復合中心，適宜于加工高精度零件。刀架的定位精度和旋轉精度很高，是一款車、銑兩用T形高精密回轉電動刀架。該車銑復合中心能夠在一臺機床上完成各種零件的車削和銑削加工，可以模塊化配置各種選項，滿足各種加工需求。

4. 曲面加工程序的編制方法選擇

非圓曲線的加工及其精度控制一直是數控車床加工的難點。因為數控編程中沒有相應的插補指令，但很多零件的輪廓上含有橢圓、雙曲線和拋物線等非圓弧曲線，采用一般的編程方法有一定的難度。本次弓弦切曲線的程序編制就是一個挑戰。通過對零件特點的分析，該零件最大的加工難點是如何按照提供的曲線方程，編制合適的加工程序，以達到加工該弓弦切曲線的目的。

（1）擬合法：是把曲線等分為很多段小線段或小圓弧，利用G01 G02G03直線或圓弧插補命令來擬合成相關曲線。采用圓弧擬合法計算數據大，容易產生錯誤。在試驗過程中，首先采用了非圓曲線通常使用的小線段擬合法，編程的基本思路是：根據曲線輪廓的解析幾何方程y=1.75+0.145x+17.975exp（0.092x-1）/（exp8.94-1），x∈[0，95]，將其中的參數x變量在它的定義域內，從0按照0.05mm插補步進距離逐步向95變化，從而求出曲線上任意一個點的坐標值，運用宏程序的參數和轉向語句GOTO或循環語句WHILE來編程，然后用直線插補G01進行擬合加工。

根據x∈[0，95] 從0按照0.05mm插補步進距離逐步向95變化，共需計算1 900組數據。如果手動計算，則工作量非常大，而且非常容易出錯，如何簡化計算也成為編程的關鍵。實際計算時利用excel數據統計功能，對該函數進行編程，產生表格的數據，從而順利解決了數據計算的工作量問題，計算出的數據直接傳輸編程，同時也避免了數據錄入的差錯。

擬合法可以直觀地進行程序編制，但是程序調整起來非常麻煩，例如當需要將插補步進距離變化時，就需要重新進行計算，重新編程效率低。由于本次弓弦切曲線加工難度大，尺寸精度及表面粗糙度要求高，加工程序會經常調整，因此在本次加工中不用擬合法進行編程。

（2）宏程序法：含有非圓曲線的曲面外形復雜，加工精度要求較高，使得手工編程難度增大。但通過先進的數控系統提供的宏程序就能有效提高編程速度、加工質量和效率。使用用戶宏程序時，數值可以直接指定，也可以用變量指定。宏程序利用公式可以實現變量賦值，不僅可以利用表達式進行算術運算，還可以進行邏輯運算。使得編制程序在應用中更加靈活、方便。使用宏指令編程使加工程序簡練易懂，實現了普通編程難以實現的非圓曲線的加工。

結合普通程序和宏程序編程的優缺點（見表2），根據本例實際，最終選擇利用宏程序進行編程。

表2　宏程序與普通程序對比表

5. 數控車程序的編制及技巧

首先對該零件進行加工分析。在該零件中有小直徑深孔，如果排屑不暢，將嚴重影響表面粗糙度和尺寸精度。另外，弓旋切曲面兩端大小頭的尺寸精度也是重點。

該零件從大端口徑φ（67±0.05）mm向內加工到φ（95±0.05）mm的深度，口徑變換為φ≤3.5mm的一個孔，粗加工時采用分段加工，整個曲線分為6～7個臺階加工，每加工一個臺階退出清理積屑，半精加工時采用輪廓循環方式，就是指進刀時相對零件端面后退5～10cm，每次進刀只進深度，直徑方向不變，這樣能使刀具切屑量均勻，刀頭不易損壞。

由于在實際加工中機床的中心點和機架的中心點有很大的偏差，加工大口徑內孔時會出現大頭尺寸和加工程序后擬合的尺寸相符合，加工到小孔時就會出現小端面尺寸不對的現象，因此安裝刀具時要對準中心點，避免出現雙曲線誤差，如果還有偏差就需要通過程序進行彌補。整體加工過程如下。

（1）鉆孔：用4種直徑的鉆頭打4個臺階孔。

（2）粗車：用鏜孔刀走臺階循環加工，模擬加工出6～7個大臺階的輪廓。

（3）半精車：用鏜刀加工出曲線的大概輪廓，用曲線方程宏程序走輪廓循環，留0.3mm左右精車余量，并測量大端口徑和小端直徑的余量是否一致，曲線長度和φ3.5mm孔的底孔過渡平滑，是否因為積屑引起的擠壓造成曲線面上的尺寸精度受到影響。

（4）精加工：重新刃磨刀具和校對，調用精車循環程序，采用300 ～500r/min的低轉速，防止刀具振動，影響表面粗糙度。

6. 加工刀具的控制

弓弦切曲線喇叭腔最小段與筋條直線相交處只有φ（3.5±0.05）mm，深度則達到（95±0.05）mm。采用自制多種大小規格不等刀具分段加工，自制錐形刀桿利用數控車加工弓弦切曲線喇叭腔，刀具分為粗車和精車（見圖4）；利用刀具位置補償功能、刀尖圓弧半徑補償功能，有效地保證零件加工尺寸。

圖4

圖5

7. 檢測方法的控制

由于該零件為內部喇叭形，測量設備采用三坐標測量儀。測量存在兩大技術難點：①工件最小部直徑僅為3.5mm，而三坐標探頭直徑一般都＞5mm，傳統的三坐標測量設備無法直接對最小端面進行測量。現有設備無法進行直接測量。②由于喇叭面為曲線，測量時沒有固定測量點，無法按照給定的數據進行測量比對。

解決措施為：①通過轉換，將內喇叭形轉換成圖5所示的外喇叭形，直接測量外喇叭而得出內喇叭的尺寸，從而解決了測量

的困難。②測量時，不先固定測量點，而是采用先測量后比對的方法。找準零件基準，利用三坐標測量隨機選取20個點，記錄下Y值和Z值，利用弓旋切函數計算表，輸入Z值計算出理論Y值，通過比對理論Y值和實際Y值進行測量。

8. 結語

采用整體加工成形技術減小了加工難度并提高了產品可靠性，整體加工的弓弦切喇叭所有尺寸公差均滿足設計要求。通過該零件的技術攻關，極大地發揮了現有設備的潛能，開創性地完成了高難度零件的生產，為相關零件的加工積累了經驗。

參考文獻：

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收稿日期：（20150415）