三自由度车削在复杂回转面车削加工中的应用

卢　达

（沈阳汽车工业学院，辽宁 沈阳 110015）

三自由度车削在复杂回转面车削加工中的应用

卢达

（沈阳汽车工业学院，辽宁 沈阳 110015）

经济的快速发展需要以实体行业为依托，而实体业则需要建立在先进的加工制造业的基础上。车削加工是机械加工中的重要的组成部分，相较于传统的普通的圆柱形零部件的车削加工，复杂回转面的车削加工无论是在加工工艺还是在加工要求上都有其明显的特点，在复杂回转面的加工上，由于其外廓的投影并非为圆形的曲线。使用普通的数控车床无法完成复杂的曲线的加工，具体表现为在复杂回转面的车削加工中，普通的数控车床在完成复杂回转面的车削加工的过程中，不论是在加工的精度还是加工的效率方面都存在着较大的不足。因此，应当在做好对于复杂回转面加工特点分析的基础上对刀具的运动轨迹建立起相应的数学模型，从而进入切线倾斜角作为复杂回转面加工过程中的新的变量，从而将传统的二自由度的车削加工转变为三自由度的车削加工，从而完成对于复杂回转面加工过程中刀具转角的精密控制，做好对于复杂回转面的加工。

复杂回转面；车削加工；三自由度插补

复杂回转面是车削加工中的难点也是重点。随着计算机技术及自动化技术的发展，数控车床已经取代传统机床成为现今加工制造中的主力设备，在生产、生活中的各个方面发挥着重要的作用。传统的二自由度的数控设备在加工制造复杂回转面时面临着较大的加工效率与加工质量的难题，通过在二自由度车削加工的基础上设计一种适用于复杂回转面车削加工的三自由度车削加工方法，通过在复杂回转面车削加工的过程中采用3个变量联动完成对于复杂回转面加工过程中复杂曲面的插补运算，对生产过程中的刀具运动过程进行调整和优化，从而确保复杂回转面加工过程中车刀垂直于毛坯件母线的切线，主、副偏角在加工过程中恒定不变，从而使得刀具能够与待加工件之间形成稳定的接触，从而进一步提高复杂回转面车削加工的精度和质量，并在此基础上提升复杂回转面车削加工的效率。

1.提高复杂回转面车削加工工艺的必要性

随着经济的快速发展，我国的各行各业都进入了高速发展期，从而使得母线为复杂函数曲线的回转体零件的应用更为广泛。普通的车削加工主要利用的是待加工工件相对于刀具进行旋转的切削加工的方法，这种切削方式适用于一些回转面的加工或是一些半回转面的加工。但是由于复杂回转面零件具有硬度高、尺寸大、加工精度要求较高等特点，使得复杂回转面的加工时采用传统的二自由度车削加工费时费力，同时再加上机床运动方向的限制，使得在对于一些复杂回转面零部件的加工过程中，机床所使用的刀具的进给方向与待加工工件的母线发现方向之间的角度会随着母线的曲率发生一定的变化，影响复杂回转面的加工效率与加工质量，为确保复杂回转面的加工效率与质量需要采用一种新的高效的复杂回转面的加工工艺。

2.复杂回转面零部件的车削加工时所面临的主要问题及改进的方法

组成零部件轮廓的曲线可以是数学方程式描述的曲线、参数方程或是列表曲线，一般的较为常见的复杂曲面回转体零件的截面均为圆形，而在轴剖面在轴向-径向坐标系内的投影则为直线，抛物线等曲线，增大了刀具动作时连续性的要求。在使用普通数控车床完成对于复杂回转面的加工时，由于刀具在运动的过程中其进给方向始终与工件的母线法线方向之间具有一定的夹角，同时这一夹角会随着母线的曲率的变化而发生一定的改变，影响复杂回转面的加工质量与加工效率。为提高复杂回转面零部件的加工质量需要采用一种新的三自由度数控车削加工来提高加工的准确性与加工质量。数控机床主要由数控系统、伺服运动控制部分以及机床机械运动部分。通过对复杂回转面零部件的加工工艺进行编制，而后通过机床数控系统完成对于加工曲线的轨迹的规划和运动点的插补，从而控制机床刀具按照一定的轨迹进行运动。现今较为常见的插补方式主要有直线、圆弧以及螺旋线等的插补方式，为更好地确保对于复杂回转面零部件的加工，需要采用更为高效的插补算法。数控机床补偿法主要分为基准脉冲补偿与数据采样补偿两种，其中基准脉冲补偿主要是采用的是在插补周期末的时刻，通过向各轴输出基准脉冲序列以单位步长来逼近数控加工的理论工作曲线.数据采样插补又可以称为时间标量插补法等，主要通过全闭环或是半闭环来实现对于整个刀具运动过程的控制.

在传统的二自由度插补法的基础上引入了三自由度车削插补法，通过在传统的Z/X轴的基础上引入了新的刀具转角θ的变量，从而使得车削加工时除了能够实现Z/X轴方向直线运动的同时，还能够做好X-Z平面内的转动，在复杂回转面零部件的加工过程中通过以上变量的共同协作来实现对于复杂回转面零部件的精密加工。在进行复杂回转面零部件加工刀具插补参数的确定时，通过将车床的刀具与工件的接触位置设置成质点，在设置时认定X轴在工作周期内发出一个脉冲当量，这一脉冲当量的参数需要根据待加工工件的材料、刀具的选取以及其他一些因素来进行确定。同时在三自由度的车削补偿中每个插补周期内需要有3个变量的变化，因此单个周期内总共有9种的运动方案，通过3个变量的协同动作来实现对于车削加工中的模拟联合插补，为进一步消除采用此种方法所带来的加工误差，可以选用最小单点误差与最小累积误差两种误差控制方式，最小单点误差主要控制的是每个加工点上加工所带来的误差，而最小累积误差则控制的是全部加工点上所累积的误差，是一种整体化的优化方式，能够较高的控制复杂回转面零部件的精确加工。

3.三自由度车削加工仿真结果与加工误差分析

对于三自由度车削模型的建立采用一种非标准件复杂回转面零件来作为车削工件来进行仿真。机床运动系统复杂性极强，在机床的运动过程中存在着很多非线性的影响因素，从而使得机床在移动定位的过程中不可避免地会存在着跟随误差，同时由于各轴参数的差异使得各轴的动态特性相异，在机床各轴联动时不可避免地会产生大小不同的跟随误差，从而导致误差的累积增加。普通加工方法所产生的累积误差不具备自我恢复和调整能力，因此，在进行较长件加工时会带来较大的误差，在加工过程中使用回转刀架进行车削加工的精度要远远高于普通车削加工的加工精度。在对三自由度数控车床伺服系统颤振特性、切削力特性等的物理性能指标进行分析后确定在使用三自由度车削加工时能够确保复杂回转面零件的车削精度。

4.三自由度加工回转刀架的设计

在数控车床的硬件设计中设计精密驱动回转刀架与三自由度数控车削插补方法和控制理论相结合来对三自由度车削加工中的刀具的姿态进行调整，从而使得车刀与待加工零件的母线的切线、主/副偏角在车削加工中保持恒定不变，从而有效地提高三自由度车削加工时的车削加工的精度，在提高复杂回转车削加工工件表面质量的同时提高工件的加工效率。在三自由度车削刀架的设计中，通过在传统刀架的基础上采用伺服电机与蜗轮蜗杆的传动形式来驱动刀架的旋转，保障车削刀架的准确定位，以确保三自由度车削的加工质量。对于三自由度车削回转刀架的控制采用高的是伺服系统控制的，与车床的另外两轴进行进给联动，以确保刀具的定位准确。在三自由度车床进行车削加工时，车床在进行一般母线回转体零件加工时，伺服控制系统根据工件的曲线特性来控制刀架伺服电机的转动，以驱动回转工作台在水平面内进行转动，以实现刀具在水平面内做相对于X轴范围内的转动，以提高车削加工的加工效率与加工质量。

5.三自由度车削加工的应用展望

在对复杂回转面进行车削加工时，由于刀具的偏角等的原因会使得车削刀具与复杂回转面零件接触时的姿态处于不断地变化中，从而使得刀具的主、副偏角处于不断地变化中，刀具参与切削的长度也随之改变，从而造成刀具加工状态的不稳定，上述原因会导致普通车削加工时工件的加工质量难以保证，为解决这一难题通过增加回转刀架这一变量从而使得车削加工时通过采用三自由度车削的方式来实现对于复杂回转面零件的车削加工，从而在提高车削加工效率的同时提高车削加工的加工质量。

结语

复杂回转面的车削加工是车削加工的重点也是难点，在使用普通的车削加工方式来对工件进行车削加工时，由于刀具偏角的原因会导致工件的加工质量与加工效率都大打折扣。本文在分析复杂回转面车削加工特点的基础上提出了一种新的三自由度车削加工，通过刀具的回转来解决复杂回转面加工中所存在的刀具偏角问题，有效地提高了复杂回转面的加工质量。

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