三自由度車削在復雜回轉面車削加工中的應用

盧　達

（沈陽汽車工業學院，遼寧 沈陽 110015）

三自由度車削在復雜回轉面車削加工中的應用

盧達

（沈陽汽車工業學院，遼寧 沈陽 110015）

經濟的快速發展需要以實體行業為依托，而實體業則需要建立在先進的加工制造業的基礎上。車削加工是機械加工中的重要的組成部分，相較于傳統的普通的圓柱形零部件的車削加工，復雜回轉面的車削加工無論是在加工工藝還是在加工要求上都有其明顯的特點，在復雜回轉面的加工上，由于其外廓的投影并非為圓形的曲線。使用普通的數控車床無法完成復雜的曲線的加工，具體表現為在復雜回轉面的車削加工中，普通的數控車床在完成復雜回轉面的車削加工的過程中，不論是在加工的精度還是加工的效率方面都存在著較大的不足。因此，應當在做好對于復雜回轉面加工特點分析的基礎上對刀具的運動軌跡建立起相應的數學模型，從而進入切線傾斜角作為復雜回轉面加工過程中的新的變量，從而將傳統的二自由度的車削加工轉變為三自由度的車削加工，從而完成對于復雜回轉面加工過程中刀具轉角的精密控制，做好對于復雜回轉面的加工。

復雜回轉面；車削加工；三自由度插補

復雜回轉面是車削加工中的難點也是重點。隨著計算機技術及自動化技術的發展，數控車床已經取代傳統機床成為現今加工制造中的主力設備，在生產、生活中的各個方面發揮著重要的作用。傳統的二自由度的數控設備在加工制造復雜回轉面時面臨著較大的加工效率與加工質量的難題，通過在二自由度車削加工的基礎上設計一種適用于復雜回轉面車削加工的三自由度車削加工方法，通過在復雜回轉面車削加工的過程中采用3個變量聯動完成對于復雜回轉面加工過程中復雜曲面的插補運算，對生產過程中的刀具運動過程進行調整和優化，從而確保復雜回轉面加工過程中車刀垂直于毛坯件母線的切線，主、副偏角在加工過程中恒定不變，從而使得刀具能夠與待加工件之間形成穩定的接觸，從而進一步提高復雜回轉面車削加工的精度和質量，并在此基礎上提升復雜回轉面車削加工的效率。

1.提高復雜回轉面車削加工工藝的必要性

隨著經濟的快速發展，我國的各行各業都進入了高速發展期，從而使得母線為復雜函數曲線的回轉體零件的應用更為廣泛。普通的車削加工主要利用的是待加工工件相對于刀具進行旋轉的切削加工的方法，這種切削方式適用于一些回轉面的加工或是一些半回轉面的加工。但是由于復雜回轉面零件具有硬度高、尺寸大、加工精度要求較高等特點，使得復雜回轉面的加工時采用傳統的二自由度車削加工費時費力，同時再加上機床運動方向的限制，使得在對于一些復雜回轉面零部件的加工過程中，機床所使用的刀具的進給方向與待加工工件的母線發現方向之間的角度會隨著母線的曲率發生一定的變化，影響復雜回轉面的加工效率與加工質量，為確保復雜回轉面的加工效率與質量需要采用一種新的高效的復雜回轉面的加工工藝。

2.復雜回轉面零部件的車削加工時所面臨的主要問題及改進的方法

組成零部件輪廓的曲線可以是數學方程式描述的曲線、參數方程或是列表曲線，一般的較為常見的復雜曲面回轉體零件的截面均為圓形，而在軸剖面在軸向-徑向坐標系內的投影則為直線，拋物線等曲線，增大了刀具動作時連續性的要求。在使用普通數控車床完成對于復雜回轉面的加工時，由于刀具在運動的過程中其進給方向始終與工件的母線法線方向之間具有一定的夾角，同時這一夾角會隨著母線的曲率的變化而發生一定的改變，影響復雜回轉面的加工質量與加工效率。為提高復雜回轉面零部件的加工質量需要采用一種新的三自由度數控車削加工來提高加工的準確性與加工質量。數控機床主要由數控系統、伺服運動控制部分以及機床機械運動部分。通過對復雜回轉面零部件的加工工藝進行編制，而后通過機床數控系統完成對于加工曲線的軌跡的規劃和運動點的插補，從而控制機床刀具按照一定的軌跡進行運動。現今較為常見的插補方式主要有直線、圓弧以及螺旋線等的插補方式，為更好地確保對于復雜回轉面零部件的加工，需要采用更為高效的插補算法。數控機床補償法主要分為基準脈沖補償與數據采樣補償兩種，其中基準脈沖補償主要是采用的是在插補周期末的時刻，通過向各軸輸出基準脈沖序列以單位步長來逼近數控加工的理論工作曲線.數據采樣插補又可以稱為時間標量插補法等，主要通過全閉環或是半閉環來實現對于整個刀具運動過程的控制.

在傳統的二自由度插補法的基礎上引入了三自由度車削插補法，通過在傳統的Z/X軸的基礎上引入了新的刀具轉角θ的變量，從而使得車削加工時除了能夠實現Z/X軸方向直線運動的同時，還能夠做好X-Z平面內的轉動，在復雜回轉面零部件的加工過程中通過以上變量的共同協作來實現對于復雜回轉面零部件的精密加工。在進行復雜回轉面零部件加工刀具插補參數的確定時，通過將車床的刀具與工件的接觸位置設置成質點，在設置時認定X軸在工作周期內發出一個脈沖當量，這一脈沖當量的參數需要根據待加工工件的材料、刀具的選取以及其他一些因素來進行確定。同時在三自由度的車削補償中每個插補周期內需要有3個變量的變化，因此單個周期內總共有9種的運動方案，通過3個變量的協同動作來實現對于車削加工中的模擬聯合插補，為進一步消除采用此種方法所帶來的加工誤差，可以選用最小單點誤差與最小累積誤差兩種誤差控制方式，最小單點誤差主要控制的是每個加工點上加工所帶來的誤差，而最小累積誤差則控制的是全部加工點上所累積的誤差，是一種整體化的優化方式，能夠較高的控制復雜回轉面零部件的精確加工。

3.三自由度車削加工仿真結果與加工誤差分析

對于三自由度車削模型的建立采用一種非標準件復雜回轉面零件來作為車削工件來進行仿真。機床運動系統復雜性極強，在機床的運動過程中存在著很多非線性的影響因素，從而使得機床在移動定位的過程中不可避免地會存在著跟隨誤差，同時由于各軸參數的差異使得各軸的動態特性相異，在機床各軸聯動時不可避免地會產生大小不同的跟隨誤差，從而導致誤差的累積增加。普通加工方法所產生的累積誤差不具備自我恢復和調整能力，因此，在進行較長件加工時會帶來較大的誤差，在加工過程中使用回轉刀架進行車削加工的精度要遠遠高于普通車削加工的加工精度。在對三自由度數控車床伺服系統顫振特性、切削力特性等的物理性能指標進行分析后確定在使用三自由度車削加工時能夠確保復雜回轉面零件的車削精度。

4.三自由度加工回轉刀架的設計

在數控車床的硬件設計中設計精密驅動回轉刀架與三自由度數控車削插補方法和控制理論相結合來對三自由度車削加工中的刀具的姿態進行調整，從而使得車刀與待加工零件的母線的切線、主/副偏角在車削加工中保持恒定不變，從而有效地提高三自由度車削加工時的車削加工的精度，在提高復雜回轉車削加工工件表面質量的同時提高工件的加工效率。在三自由度車削刀架的設計中，通過在傳統刀架的基礎上采用伺服電機與蝸輪蝸桿的傳動形式來驅動刀架的旋轉，保障車削刀架的準確定位，以確保三自由度車削的加工質量。對于三自由度車削回轉刀架的控制采用高的是伺服系統控制的，與車床的另外兩軸進行進給聯動，以確保刀具的定位準確。在三自由度車床進行車削加工時，車床在進行一般母線回轉體零件加工時，伺服控制系統根據工件的曲線特性來控制刀架伺服電機的轉動，以驅動回轉工作臺在水平面內進行轉動，以實現刀具在水平面內做相對于X軸范圍內的轉動，以提高車削加工的加工效率與加工質量。

5.三自由度車削加工的應用展望

在對復雜回轉面進行車削加工時，由于刀具的偏角等的原因會使得車削刀具與復雜回轉面零件接觸時的姿態處于不斷地變化中，從而使得刀具的主、副偏角處于不斷地變化中，刀具參與切削的長度也隨之改變，從而造成刀具加工狀態的不穩定，上述原因會導致普通車削加工時工件的加工質量難以保證，為解決這一難題通過增加回轉刀架這一變量從而使得車削加工時通過采用三自由度車削的方式來實現對于復雜回轉面零件的車削加工，從而在提高車削加工效率的同時提高車削加工的加工質量。

結語

復雜回轉面的車削加工是車削加工的重點也是難點，在使用普通的車削加工方式來對工件進行車削加工時，由于刀具偏角的原因會導致工件的加工質量與加工效率都大打折扣。本文在分析復雜回轉面車削加工特點的基礎上提出了一種新的三自由度車削加工，通過刀具的回轉來解決復雜回轉面加工中所存在的刀具偏角問題，有效地提高了復雜回轉面的加工質量。

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