弓弦切曲线喇叭制造工艺研究

2015-02-20中国电科集团第38研究所安徽合肥230088何章峰马数和

金属加工(冷加工) 2015年15期

■中国电科集团第38研究所（安徽合肥 230088）何章峰郑杰马数和

弓弦切曲线喇叭制造工艺研究

■中国电科集团第38研究所（安徽合肥 230088）何章峰郑杰马数和

摘要：弓旋切曲线喇叭结构复杂、精度高，普通设备加工困难。通过发掘现有设备潜能，进行工艺优化，取得了较好的加工结果。

零件内腔由光滑曲线组成，因此普通机床无法加工成形。根据现有设备，选择加工精度高、运算速度快、加工效率高的哈挺QUEST 8/51数控车床加工。结合多年的生产经验，开创性地编制出可以实现变量赋值，还可以进行逻辑运算的宏程序，实现了曲线加工。另外，利用工件转换、表格式计算等方法，克服了深孔小腔体的测量难点，最终所有尺寸均满足图样要求。

1. 工艺方案比较

零件外形一端为长95mm、φ69-0.1-0.2mm―48.50-0.1mm×48.50-0.1mm渐变矩圆变换体（见图1），尾部φ43mm内腔为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]，弓旋切曲线喇叭腔，形式复杂，精度要求高，查看相关文献资料，目前在国内没有类似设计。本项目就该喇叭腔的精密制造成形进行攻关。

针对该弓旋切曲线的结构特点，提出两种成形工艺方案：分段加工焊接成形和整体加工成形。下面就各自工艺特点进行分析。

（1）分段加工焊接成形：采用拼焊结构，此加工方法将该喇叭分解为两个部分，一部分为喇叭腔，一部分内腔四处支耳，先将两部分分别加工后，最后精密焊接成形（见图2）。但是这种加工方法带来的缺陷有以下几点：①零件加工难度大，不易达到设计要求，无法满足图样要求。②焊接尺寸不易控制，易变形，且变形后无法再次通过技术手段弥补。③加工周期长，加工成本很高。

鉴于以上缺点及多方面不可预知的因素，分段加工焊接成形的方案被放弃。

（2）整体加工成形：整体加工成形技术就是利用数控车床、数控铣床以及数控慢走丝机床的特点，针对复杂曲面进行一次加工成形。整体加工虽然程序编制较为复杂，且零件的装夹问题有待解决，但是整体成形的零件加工变形不大，尺寸精度容易控制，在必须保证质量的前提下，最终选择整体加工成形方案对该喇叭进行技术攻关。

（3）两种成形方法对比：两种成形方法的对比如表1所示。

图1

图2

表1　成形方法对照表

2. 整体加工成形工艺路线设计

经过对该喇叭腔的分析，此零件为内部弓弦切曲线喇叭形结构（见图3），外形为倾斜面，内部为喇叭与直线圆相交结构，合理地安排工

艺方法至关重要。零件内喇叭采用数控车利用宏程序直接车出，喇叭开口处留有装夹法兰，数控慢走丝分两次切割直线段和圆锥内腔，高速铣装夹法兰加工底面结构及4处小凸台，最后再切掉装夹法兰。

整体工艺路线为：粗车外圆，中心钻孔→利用数控车粗车喇叭旋切弧形面，单边留精加工余量0.5mm→在不改变材料状态和硬度的情况下去应力退火→数控车精车喇叭腔旋切弧形面→数控线切割内腔方孔及筋条→数控铣内腔2处圆支柱→镗孔。

整个加工过程的关键就是如何对弓弦切曲线喇叭内腔利用数控车床进行整体成形加工。

图3

3. 加工设备的选择

在数控车车床选择上，选择分厂内功能齐全、精度最高的哈挺QUEST 8/51。该设备是由美国哈挺（HARDINGE）公司制造的高精度车铣复合中心，适宜于加工高精度零件。刀架的定位精度和旋转精度很高，是一款车、铣两用T形高精密回转电动刀架。该车铣复合中心能够在一台机床上完成各种零件的车削和铣削加工，可以模块化配置各种选项，满足各种加工需求。

4. 曲面加工程序的编制方法选择

非圆曲线的加工及其精度控制一直是数控车床加工的难点。因为数控编程中没有相应的插补指令，但很多零件的轮廓上含有椭圆、双曲线和抛物线等非圆弧曲线，采用一般的编程方法有一定的难度。本次弓弦切曲线的程序编制就是一个挑战。通过对零件特点的分析，该零件最大的加工难点是如何按照提供的曲线方程，编制合适的加工程序，以达到加工该弓弦切曲线的目的。

（1）拟合法：是把曲线等分为很多段小线段或小圆弧，利用G01 G02G03直线或圆弧插补命令来拟合成相关曲线。采用圆弧拟合法计算数据大，容易产生错误。在试验过程中，首先采用了非圆曲线通常使用的小线段拟合法，编程的基本思路是：根据曲线轮廓的解析几何方程y=1.75+0.145x+17.975exp（0.092x-1）/（exp8.94-1），x∈[0，95]，将其中的参数x变量在它的定义域内，从0按照0.05mm插补步进距离逐步向95变化，从而求出曲线上任意一个点的坐标值，运用宏程序的参数和转向语句GOTO或循环语句WHILE来编程，然后用直线插补G01进行拟合加工。

根据x∈[0，95] 从0按照0.05mm插补步进距离逐步向95变化，共需计算1 900组数据。如果手动计算，则工作量非常大，而且非常容易出错，如何简化计算也成为编程的关键。实际计算时利用excel数据统计功能，对该函数进行编程，产生表格的数据，从而顺利解决了数据计算的工作量问题，计算出的数据直接传输编程，同时也避免了数据录入的差错。

拟合法可以直观地进行程序编制，但是程序调整起来非常麻烦，例如当需要将插补步进距离变化时，就需要重新进行计算，重新编程效率低。由于本次弓弦切曲线加工难度大，尺寸精度及表面粗糙度要求高，加工程序会经常调整，因此在本次加工中不用拟合法进行编程。

（2）宏程序法：含有非圆曲线的曲面外形复杂，加工精度要求较高，使得手工编程难度增大。但通过先进的数控系统提供的宏程序就能有效提高编程速度、加工质量和效率。使用用户宏程序时，数值可以直接指定，也可以用变量指定。宏程序利用公式可以实现变量赋值，不仅可以利用表达式进行算术运算，还可以进行逻辑运算。使得编制程序在应用中更加灵活、方便。使用宏指令编程使加工程序简练易懂，实现了普通编程难以实现的非圆曲线的加工。

结合普通程序和宏程序编程的优缺点（见表2），根据本例实际，最终选择利用宏程序进行编程。

表2　宏程序与普通程序对比表

5. 数控车程序的编制及技巧

首先对该零件进行加工分析。在该零件中有小直径深孔，如果排屑不畅，将严重影响表面粗糙度和尺寸精度。另外，弓旋切曲面两端大小头的尺寸精度也是重点。

该零件从大端口径φ（67±0.05）mm向内加工到φ（95±0.05）mm的深度，口径变换为φ≤3.5mm的一个孔，粗加工时采用分段加工，整个曲线分为6～7个台阶加工，每加工一个台阶退出清理积屑，半精加工时采用轮廓循环方式，就是指进刀时相对零件端面后退5～10cm，每次进刀只进深度，直径方向不变，这样能使刀具切屑量均匀，刀头不易损坏。

由于在实际加工中机床的中心点和机架的中心点有很大的偏差，加工大口径内孔时会出现大头尺寸和加工程序后拟合的尺寸相符合，加工到小孔时就会出现小端面尺寸不对的现象，因此安装刀具时要对准中心点，避免出现双曲线误差，如果还有偏差就需要通过程序进行弥补。整体加工过程如下。

（1）钻孔：用4种直径的钻头打4个台阶孔。

（2）粗车：用镗孔刀走台阶循环加工，模拟加工出6～7个大台阶的轮廓。

（3）半精车：用镗刀加工出曲线的大概轮廓，用曲线方程宏程序走轮廓循环，留0.3mm左右精车余量，并测量大端口径和小端直径的余量是否一致，曲线长度和φ3.5mm孔的底孔过渡平滑，是否因为积屑引起的挤压造成曲线面上的尺寸精度受到影响。

（4）精加工：重新刃磨刀具和校对，调用精车循环程序，采用300 ～500r/min的低转速，防止刀具振动，影响表面粗糙度。