1 引言

　　在常規(guī)的數(shù)控加工中，走刀步長(zhǎng)短，意味著加工精度高，但會(huì)造成刀具軌跡線上刀位數(shù)據(jù)的密度大，程序指令冗長(zhǎng)，更重要的是在一般加工方式下，對(duì)一般運(yùn)動(dòng)精度的機(jī)床而言，小步長(zhǎng)程序指令的執(zhí)行會(huì)產(chǎn)生進(jìn)給速度波動(dòng)和平均速度下降，從而影響加工效率和表面質(zhì)量。反之，大的走刀步長(zhǎng)，意味著刀具軌跡線上刀位數(shù)據(jù)的密度小，加工效率高，但輪廓逼近精度降低，一階不連續(xù)性使工件表面完整性惡化，后續(xù)處理工作量加大，整體效率降低。在常規(guī)的數(shù)控加工中，刀具在被加工曲面上始終沿著所給的進(jìn)給方向運(yùn)動(dòng)，這勢(shì)必帶來兩方面問題：一方面，在切削過程中，刀具主軸在切削力的作用下容易產(chǎn)生扭曲變形和彎曲變形，較薄的工件也容易發(fā)生剛性變形；另一方面，在切削過程中，刀具與工件接觸區(qū)產(chǎn)生的切削熱不易釋放出去，容易造成被加工工件和機(jī)床工藝系統(tǒng)的熱變形。以上兩方面的問題都會(huì)影響工件的制造精度和表面完整性。針對(duì)以上存在的問題，本文提出了一種刀具可進(jìn)讓式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的數(shù)控切削加工新方法，這種一進(jìn)一讓地進(jìn)給切削加工有利于以上問題的解決。

2 進(jìn)讓式切削加工原理和數(shù)學(xué)模型

　　在五軸機(jī)床上，刀具沿被加工工件表面做直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)，取被加工曲面上3個(gè)加工點(diǎn)Pi、Pi+1、Pi+2的坐標(biāo)分別為只(Xi，yi，Zi，Ai，Bi)，Pi+1(xi+1，Yi+1，zi+1，Ai+1，Bi+1)，Pi+2(Xi+2，Yi+2，Zi+2，Ai+2，Bi+2)，如圖1所示，其中砂輪從點(diǎn)Pi經(jīng)點(diǎn)Pi+1至點(diǎn)Pi+2的距離等于一個(gè)走刀步長(zhǎng)。刀具從加工點(diǎn)只沿走刀方向進(jìn)給一個(gè)步長(zhǎng)到達(dá)點(diǎn)Pi+2后，再從點(diǎn)Pi+2沿走刀方向相反的方向回讓到只+l點(diǎn)，刀具就這樣一進(jìn)一讓地進(jìn)給切削工件曲面，稱之為進(jìn)讓式切削加工。其中Pi、Pi+1、Pi+2三點(diǎn)之間的坐標(biāo)關(guān)系如下：

圖1球形刀五坐標(biāo)進(jìn)讓式切削加工模型

3 加工精度的分析

　　走刀步長(zhǎng)的計(jì)算：由于多坐標(biāo)數(shù)控加工(指三、四、五坐標(biāo)數(shù)控加工)一般只采用線性插補(bǔ)，因而，刀具運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)面與加工表面存在一定的逼近誤差，在凹凸曲面上分別表現(xiàn)為欠切、過切現(xiàn)象，所以，對(duì)任一指定的直線逼近誤差極限e，根據(jù)文獻(xiàn)。

　　以下著重分析采用進(jìn)讓式切削加工方式加工凹、凸曲面時(shí)，對(duì)加工精度的影響。主要從幾何、受力和切削熱散失方面進(jìn)行分析。

圖2刀具進(jìn)讓式切削加工凹曲面

　　第一種情況：被加工曲面為凹曲面。根據(jù)進(jìn)讓式切削加工原理，從考慮加工精度角度去分析該種加工方法的特點(diǎn)并得出以下結(jié)論。

　　①幾何精度分析：由圖2所示可知，刀具在回讓的過程中，也進(jìn)行了切削加工，切削的部分主要是刀具在進(jìn)給過程中所形成的欠切部分。設(shè)Li=L'，在三角形PiPi+1Pi+2中，PiPi+1<PiPi+2，即：L&rsquo;<L，可知：&delta;t'<&delta;t。即：減少了被加工曲面的欠切部分，降低了加工誤差，提高了加工精度。另外，走刀步長(zhǎng)可以不必嚴(yán)格按照式(2)來確定，可以加大走刀步長(zhǎng)，只要保證厶滿足上式即可。

　?、谑芰Ψ治觯喝鐖D3所示，按照文獻(xiàn)的分析，設(shè)f方向?yàn)檫M(jìn)給方向f'方向?yàn)榛赝朔较?，F(xiàn)c為切削合力，可分解為進(jìn)給力Ff和垂直進(jìn)給力Ffn。由于采用進(jìn)讓式切削加工，切削力方向間斷地發(fā)生變化，刀具的主軸沿進(jìn)給方向受到切削力的一個(gè)分力Ff的作用，沿回讓方向受到切削力的一個(gè)分力F，&rsquo;的作用很小，這兩種力對(duì)刀軸產(chǎn)生的扭矩作用效果是相反的，因而，可以避免刀具主軸的持續(xù)扭曲變形和彎曲變形的產(chǎn)生。同時(shí)，被加工的工件在加工過程中產(chǎn)生的剛性變形也得到了恢復(fù)，從而可以提高整個(gè)數(shù)控加工過程中的加工精度。

　?、矍邢鳠岱治觯涸诔Ｒ?guī)切削加工過程中所產(chǎn)生的熱量主要靠切屑、工件和刀具傳出，被周圍介質(zhì)帶走的熱量很少嘲5，但采用進(jìn)讓式切削加工，在刀具回讓的過程中，刀具漸漸地遠(yuǎn)離進(jìn)給方向的切削區(qū)，這便在切削區(qū)形成了空氣氣流的流動(dòng)，有利于切削熱被周圍介質(zhì)空氣帶走，加快了切削熱的釋放，從而減少熱變形，達(dá)到提高被加工曲面表面質(zhì)量和加工精度的目的。

　　第二種情況：被加工曲面為凸曲面?；旧项愃朴诎记婕庸さ姆治鼋Y(jié)果，不同的是：①走刀步長(zhǎng)必須根據(jù)被加工曲面所允許的直線逼近誤差極限并結(jié)合上面的步長(zhǎng)計(jì)算式來確定；②刀具在回讓的過程中，基本上是不進(jìn)行切削加工，但刀桿的彈性變形可以得到恢復(fù)。

　　總之，在采用進(jìn)讓式進(jìn)給切削加工中，刀具和工件不斷地接觸與分開，刀具主軸在脈動(dòng)循環(huán)切削力的作用下，其扭曲變形和彎曲變形不斷得到恢復(fù)，工件的剛性變形也顯著減小，從而可以提高工件的加工精度。采用進(jìn)讓式切削加工，在刀具回讓的過程中，刀具漸漸地遠(yuǎn)離進(jìn)給方向的切削區(qū)，這時(shí)便在切削區(qū)形成了外來空氣氣流的流動(dòng)，有利于切削熱被周圍冷卻介質(zhì)或空氣帶走，加快了切削熱的釋放，從而減小了工藝系統(tǒng)的熱變形。與傳統(tǒng)方式相比，低的熱應(yīng)力對(duì)刀具和工件都起到了保護(hù)作用，提高了被加工曲面的表面質(zhì)量和加工精度。

4 刀具進(jìn)讓式進(jìn)給切削加工的算法及步驟

　　為了在五軸數(shù)控切削加工中實(shí)現(xiàn)進(jìn)讓式進(jìn)給，在生成數(shù)控指令時(shí)，對(duì)于一些特殊的復(fù)雜曲面工件(如某些曲面只能用非線形方程組來描述其幾何要素)，在計(jì)算得到其加工刀位節(jié)點(diǎn)后，將反映進(jìn)讓式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)規(guī)律的算法表現(xiàn)在數(shù)控指令生成的刀位計(jì)算中即可實(shí)現(xiàn)進(jìn)讓式進(jìn)給加工。對(duì)于一般的曲面工件，利用商用CAll軟件環(huán)境，將實(shí)體幾何要素輸入到計(jì)算機(jī)，可以得到工件實(shí)體模型的數(shù)控加工指令。最后，在已有指令中插入進(jìn)讓運(yùn)動(dòng)指令。其步驟如下：(1)根據(jù)工件表面曲率的大小和加工精度給定各段走刀步長(zhǎng)。(2)由于五軸加工中各軸均做直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，故在5個(gè)軸上按照式(1)以相同的回讓系數(shù)k來實(shí)現(xiàn)進(jìn)讓式進(jìn)給運(yùn)動(dòng)插值節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和回讓運(yùn)動(dòng)分配。(3)最后重新生成數(shù)控指令。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　按照上述技術(shù)原理選用材料為45號(hào)鋼的工件進(jìn)行車Iiili工試驗(yàn)，加工條件相同，即吃刀深度相同(2mm)，軸向總進(jìn)給量相同(30rion)，主軸轉(zhuǎn)速相同(800r／rain)，刀具相同(93。外圓車刀)，并選用在西門子802S的數(shù)控機(jī)床上加工。結(jié)果表明：在常規(guī)數(shù)控加工中，由于刀具始終受到切削力的作用，使得刀具吃刀深度隨軸向進(jìn)給量的增加而逐漸減少；在進(jìn)讓式切削加工中，加工刀具每進(jìn)給5mm就回讓3mm，在測(cè)量工件的同部位發(fā)現(xiàn)相差約0.02mm，也就是說：在相同加工條件下，采用進(jìn)讓式切削加工精度比采用常規(guī)數(shù)控加工精度高0.02mm。

　　通過反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用進(jìn)讓式進(jìn)給加工方法對(duì)機(jī)床上各進(jìn)給運(yùn)動(dòng)副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)精度要求較高，加之進(jìn)給電機(jī)正反轉(zhuǎn)頻繁，故宜選用直線電機(jī)。

6 結(jié)語

　　通過研究表明：采用進(jìn)讓式切削加工，一方面有利于機(jī)床工藝系統(tǒng)在加工過程中產(chǎn)生的變形恢復(fù)，另一方面有利于工件的剛性變形的恢復(fù)，提高了被加工曲面的表面質(zhì)量，從而可以顯著提高數(shù)控加工的加工精度。本文方法將數(shù)控機(jī)床具有的柔性潛能與工件幾何參數(shù)控制方法相結(jié)合，尤其適合應(yīng)用于高精度要求且較薄曲面工件的加工場(chǎng)合。