大型抛物面天线模胎数控加工技术研究

胡佰毅

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 引言

文中论述的大型抛物面天线是在200±10℃高温下通过模胎复合成型。天线反射面的曲面形状为抛物面，形状精度要求非常高。模胎是该抛物面天线曲面复合成型过程中关键的工装，其毛坯采用球墨铸铁QT50-10 铸造成型，为了保证天线曲面在高温下的成型精度，相应模胎的加工精度更为苛刻。

本文针对抛物面天线模胎的结构特点和加工难点，设计数控加工工艺方案，利用我所现有的UG 软件建模，Master CAM 软件仿真加工和后处理，在数控立车上加工抛物面，在数控龙门铣上加工抛物线槽，实现了抛物面天线模胎的整体数控加工。

1 抛物面天线模胎的工艺分析

1.1 结构特点分析

抛物面天线模胎的结构和主要尺寸要求如图1 所示。分析图1 可以看出，零件属于中空大直径薄壁曲面铸件，其壁厚与半径比为1：80，为典型的薄壁零件，加工中容易产生变形。而且在Φ1600mm 的抛物面上等间距分布着200 余条细微的抛物线槽，是生产加工的瓶颈，极具加工难度。

图1 模胎结构

其主要的结构特点及尺寸为：毛坯为铸件，材料为球墨铸铁QT50-10，曲面的抛物面方程为：x2+y2=Kz（K 为一常数），粗糙度为1.6。

抛物线槽所在平面的方程为x2+y2=K（z-0.6），线槽深度0.6mm，宽度0.9mm，相互平行度小于0.05mm，两抛物面均方根误差在0.07mm 以内。

1.2 加工工艺难点分析

该抛物面天线模胎直径大、壁厚薄，曲面表面的曲线槽宽度小、分布密集，而且所有曲线槽底端又形成一个抛物面，两抛物面相对精度要求高。这些特点反映到加工上带来的主要难点有：

1.2.1 模胎外形大，壁厚薄容易引起加工变形，影响抛物面的形状精度，必须控制粗加工切削参数，适当增加热处理，配合相应的辅助工装；

1.2.2 抛物线槽分布密集，宽度尺寸小，深度较深，没有能够满足加工实际所需的刀具，必须设计刚性高，特殊形状的专用刀具；

1.2.3 抛物面的最高点到最低点所在母线的曲率不同，加工中表面粗糙度的一致性难以保证；

1.2.4 复杂曲面程序编程技术难度大，手工编程很难实现，需借助软件编程模拟加工和后处理。

1.3 加工工艺方案设计

1.3.1 加工工艺方案分析对比

根据零件结构特点，加工难点以及机床、刀具的选择设定了两种可行的加工工艺方案，方案1：抛物面、抛物线槽采用整体数控铣加工；方案2：抛物面采用数控车加工，抛物线槽采用数控铣加工。两种方案的分歧是抛物面的加工采用数控铣还是数控车，采用数控车加工抛物面有以下优点：

a）数控车编程相对简单只需绘制出准确的抛物线；

b）采用数控车，粗加工时可以预留较小的加工余量，并且余量均匀，相应的加工应力变形较小（如图2）；

图2 粗加工余量

c）数控车加工，刀具沿抛物线切点做简单的插补运动，可以选用高强度的刀具，吃刀量大，数控铣加工需要复杂的三维插补运动，机器运算量大，分层进给量小，加工效率低，增加了加工成本；

d）数控车加工抛物面回转体表面，刀具沿回转表面圆周切削，针对切削圆半径的变化，用G96 指令设定恒定的线速度，并限定最高转速3000 转，可以获得相对一致的表面粗糙度；

e）数控车可采用仿形加工，刀具沿着抛物面截面的抛物线从底端到顶端进行仿形加工，刀具进给是连续的，可以改善数控铣等距进给的加工残留高度，提高表面粗糙度。

采用数控车加工抛物面工序不集中，需增加一台设备，带来的缺点有：

a）数控车加工完抛物面，还需在数控铣上加工抛物线槽，多使用一台设备，工件需在两台设备之间周转，加工准备时间长；

b）数控车和数控铣装夹方式不同，采用数控车需增加工装，提高了单件生产的附加成本。

1.3.2 加工工艺方案确定

通过上述方案的优缺点比较，结合实际情况，综合分析，确定了第二种加工方案：即采用立式数控车加工抛物面，然后用龙门数控铣加工抛物线槽。

2 工艺过程

根据加工工艺方案，设计主要工艺过程如下：编制加工工艺流程，设计抛物线槽专用刀具，UG 软件建模，Master CAM 软件数控编程及优化仿真，加工和检测。

2.1 加工工艺流程

根据模胎的结构特点和技术要求，结合确定的工艺方案设计加工工艺流程如图3 所示。

图3

其中，粗加工对零件加工质量影响不大，只需留足粗加工余量，为了改善切削的应力变形，粗加工后必需增加热处理，待应力释放后再进行精加工。抛物线槽的加工安排在抛物面精加工之后，应力变形比较小，可以一次加工完成。

2.2 设计抛物线槽专用刀具

抛物线槽的加工是整个加工的瓶颈，要求机床有2 米以上的行程，尤其对刀具的要求比较特殊。为了满足加工要求，设计出专用刀具的主要参数，由专门厂家研磨成型，刀具结如图4。

图4 专用刀具结构图

刀具材料为硬质合金YG，球头半径为R0.45，刀片为两刃，螺旋升角为60°，主要特点有：

a）刀具总高50mm，刀刃长为1.5mm，直径为Φ0.9mm，设计中采用了刀柄和刀刃大比例半径过渡的结构，既满足了线槽宽度的限制又便于装夹；

b）设置了锥度，减小了大比例半径过渡时的应力集中，增加了刀具强度，而且在加工抛物线槽时，消除曲率变化产生的干涉；

c）刀具采用两刃利于排屑，适合加工圆弧形沟槽，耐磨性好，可以切削HRC55 以下的材料，使用最高转速2000 转。

2.3 UG 三维实体建模及计算

抛物面可以通过抛物线回转实现，首先在UG 中创建抛物线需输入参数DY（弦半径），F（焦距），旋转角度（θ）。DY 为已知，旋转角度θ=0，求出F 值是关键。

已知抛物线方程为：x2+y2=Kz，

将抛物线方程化为标准方程：x2+y2=2Pz（P 为焦点到准线的距离，即2 倍焦距P=2F），

推出2×2Fz=Kz，

选择顶点(0，0，0)，输入抛物线参数，做出抛物线如图5。

图5 构造曲线

图6 实体模型

抛物线通过旋转做出抛物面，在抛物面上做抛物线槽比较困难，通过多次尝试，简便的方式是先在一个基准面做出平行线投影到抛物面上形成曲线，将曲线拉伸成曲线槽和抛物面求差就做出了线槽如图6。

2.4 数控程序设计和仿真

将UG 模型导入Master CAM 程序设计软件，从抛物面顶端Z 零点开始，设定恒定线速度沿轮廓轨迹进行粗、精加工，对抛物线槽进行数控铣一次加工成形，从顶点开始分别向两端加工。根据机床加工参数，通过多次模拟验证，制定加工参数如表1。

表1 加工参数表

按表1 参数制定刀路轨迹，再进行刀路轨迹模拟和实体仿真加工验证，数控车验证结果如图7，数控铣验证结果如图8。仿真验证完后进行后处理并生成加工程序代码。

图7 数控车实体模拟验证

图8 数控铣实体模拟验证

3 加工和检测

3.1 加工过程控制

按照设计的工艺流程先进行数控车粗加工，粗加工前在内腔均匀垫三个辅助支撑，多点压装周围，使工件均匀受力，防止加工时向某一方向强烈变形。粗加工去除余量比较大，按机床设置相对快的进给和大的切削深度，单边留2mm 余量，粗加工后实施退火去应力热处理，重新打表找正，使工件的变形在粗加工的余量范围内补偿。精加工时设置相对慢的进给，较小的切削深度，以保证抛物面的加工精度和表面粗糙度。抛物面加工完后，在数控龙门铣上使用专用刀具加工抛物线槽，将抛物线槽从顶点分为两段分别加工，铣刀从顶点切线的延长线上进刀，铣至抛物线端点的延长线上退刀（进、退刀距离均设3mm），不仅避免了干涉，还减小了切削力，为了进一步减小变形，对均布的抛物线槽跳格加工（即先逐一加工奇数槽，然后逐一填补偶数槽），按此规律加工出所有的抛物线槽。

3.2 检验方法及结果

4 结论

通过对大型抛物面天线的结构特点和加工难点进行分析，确定了抛物面模胎的加工方案，针对加工难点设计了专用刀具，通过MasterCAM 软件编制数控加工程序和进行后处理，经加工达到图纸要求。解决加工不同曲率表面粗糙度难以保证，抛物面及抛物线槽编程加工困难的问题，有效控制了薄壁加工变形，为大型复杂曲面加工积累了经验，尤其在大型曲面加工方案和数控程序编制方面开拓了新思路。

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