本文針對(duì)臥式四軸機(jī)床上加工大型弧面的一種新的方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，建立了數(shù)學(xué)模型，編寫了全參數(shù)化宏程序，提高了弧面的加工效率，保證了產(chǎn)品的加工品質(zhì)。
1.加工分析
弧面是一種常見(jiàn)的加工特征，加工方法也多種多樣。大型弧面的加工在日常的機(jī)械加工中還是一個(gè)難點(diǎn)。如圖1所示零件，其外形尺寸為280mm×210mm×114mm，外側(cè)弧面半徑為745mm。該弧面粗加工可以采用傳統(tǒng)的加工方法，精加工時(shí)，初步選用沿圓周方向進(jìn)行銑削，但由于弧面長(zhǎng)度為280mm，若兩邊接刀加工，則刀具懸伸較長(zhǎng)，加工過(guò)程容易出現(xiàn)顫動(dòng)，刀具磨損加劇，壽命低，加工質(zhì)量差、效率低；另外，也可以沿圓弧步進(jìn)，兩邊接刀，利用刀具的側(cè)刃，沿母線進(jìn)行加工，加工刀具選用球形刀具或者R角銑刀。由于弧面半徑大，為保證表面粗糙度要求，則需選用較小的步距進(jìn)行逼近加工，加工效率特別低，其加工時(shí)間約兩個(gè)工時(shí)。
經(jīng)過(guò)優(yōu)化選擇，選用面銑刀沿母線進(jìn)行加工。裝夾找正時(shí)，使圓弧中心軸線與工作臺(tái)面保持垂直。工作臺(tái)每旋轉(zhuǎn)一次，刀具沿母線進(jìn)行一次切削，依次往復(fù)加工，直至弧面成形。該方法難點(diǎn)在于宏程序的編制。
2. 技術(shù)方案
弧面的中心若與四軸機(jī)床的工作臺(tái)中心重合，則編程會(huì)很簡(jiǎn)單。通常情況下，由于受空間限制，弧面經(jīng)常會(huì)不與工作臺(tái)的中心重合，這為編程帶來(lái)很大難度。為保證加工方法的通用性，以下主要針對(duì)上述加工方法一般情況進(jìn)行討論分析。其他加工方法應(yīng)用已比較普遍，不再贅述。
（1）數(shù)學(xué)模型分析 圖2中三張圖片分別為工件裝夾初始位置、加工初始位置和加工終點(diǎn)位置三種狀態(tài)下的示意圖，其中O點(diǎn)為工作臺(tái)的中心位置，A點(diǎn)為加工的起始位置，B點(diǎn)為終止位置，C點(diǎn)為圓弧的初始位置。
如圖2所示，把X、Z軸零點(diǎn)設(shè)置在工作臺(tái)中心位置，Y向零點(diǎn)設(shè)置在弧面的頂端。計(jì)算加工位置，然后沿Y向切削一次，依此往復(fù)，直至加工到終點(diǎn)位置。
（2）宏程序編制 程序邏輯控制圖如圖3所示。先對(duì)各參數(shù)賦值，然后依據(jù)弧面中心的坐標(biāo)數(shù)值，對(duì)其所在的象限進(jìn)行自動(dòng)判別。對(duì)象限判別的目的是為了計(jì)算圓弧中心和工作臺(tái)中心（零點(diǎn)位置）連線與Z軸正向之間的夾角。最后，進(jìn)入加工階段，開(kāi)始按宏程序進(jìn)行往復(fù)加工。
宏程序采用西門子系統(tǒng)指令進(jìn)行編制計(jì)算，零點(diǎn)在工作臺(tái)中心，Y向零點(diǎn)在工件的上表面，工作臺(tái)每轉(zhuǎn)0.5°，沿母線進(jìn)給一次，需步進(jìn)36次。經(jīng)過(guò)計(jì)算，加工殘余高度為0.007 1mm，滿足技術(shù)要求。程序如下：
G54；設(shè)定坐標(biāo)系
G64；啟動(dòng)連續(xù)切削模式
SOFT；圓滑增減速打開(kāi)
FFWON；前饋控制打開(kāi)
T1D1；調(diào)用φ50端面銑刀，選擇1號(hào)刀具，調(diào)用1號(hào)長(zhǎng)度補(bǔ)償；用Vericut仿真時(shí)更改為T1M6
G0 X300Y60；初始定位Z500；快速運(yùn)動(dòng)到安全位置S1300M03；
R1=100；初始裝夾位置R745圓弧中心X坐標(biāo)
R2=-515；初始裝夾位置 R745圓弧中心Z坐標(biāo)
R3=-9；加工初始狀態(tài)角度初值
R4=745；工件圓弧半徑
R5=280；弧面長(zhǎng)度
R6=25；刀具半徑
R7=-1；方向控制變量，初始向下，設(shè)置為-1
R8=R7；圓弧中心位置判斷及初始角度計(jì)算
R11=SQRT(R1*R1+R2*R2)；圓弧中心相對(duì)工作臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)半徑
R 9 = A S I N ( R 1 / S Q R T ( R 1 * R 1 + R2*R2))；
IF R1<0 GOTOF BB1；滿足條件跳轉(zhuǎn)，否則進(jìn)行一、二象限角度判別
IF R2<0 GOTOF AA1；
R10=R9；第一象限角度判別計(jì)算
GOTOF BB；完成后跳出判別區(qū)域 AA1：
R10=180-R9；第二象限，角度判別計(jì)算
GOTOF BB；完成后跳出判別區(qū)域BB1：
IF R2<0 GOTOF AA2；第三、四象限初始角度判別
R10=R9
GOTOF BB
AA2:
R10=-180-R9；判別結(jié)束
BB：
G1 B=R3；
R16=R11*SIN(R10-R3)；圓弧中心X坐標(biāo)值
R17= R11*COS(R10-R3)；圓弧中心Z坐標(biāo)值
TRANS X=R16 Z=R17+R4；坐標(biāo)偏移
G01Z0F2000；Z軸定位
G01X0F1500；X軸定位
G01Y=0-8*R6*1.2+(R8+R7)*(R5+ R6*2.4)/2；數(shù)字1.2為單邊延伸系數(shù)。2.4為兩邊總延伸系數(shù)。
R7=-R7
R3=R3+0.5；度數(shù)遞增
IF R3<=9 GOTOB BB；滿足條件跳轉(zhuǎn)
TRANS；坐標(biāo)偏移取消
G0Z=IC(200)；Z向退刀
X300Y300；移動(dòng)到安全位置
G1C0F3000；工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)至初始位置
M05；主軸停止
M09；冷卻液關(guān)閉
M30；程序結(jié)束，系統(tǒng)復(fù)位
程序相關(guān)說(shuō)明：
①在ZOX平面內(nèi)進(jìn)行角度計(jì)算，Z為橫軸，X為縱軸。②注意工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，順時(shí)針為正，而坐標(biāo)系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 為 正 。③ 圓 弧 初 始 位 置 坐 標(biāo)值，通過(guò)對(duì)刀確定。④工作臺(tái)的中心坐標(biāo)，建議使用基準(zhǔn)塊進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣有利于減少零件的加工誤差。
在仿真軟件Vericut中對(duì)宏程序進(jìn)行了仿真模擬，效果如圖4所示。
3. 結(jié)語(yǔ)
本文提出一種比較高效的大型弧面加工方法，建立了加工數(shù)學(xué)模型，編寫了通用的全參數(shù)化往復(fù)加工宏程序，針對(duì)不同的弧面，具有很好的適應(yīng)性。經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證，相比傳統(tǒng)的加工方法，弧面精加工效率提高了8倍左右。另外，加工過(guò)程更加平穩(wěn)，加工品質(zhì)得到很大程度提升。
