1 引言

　　在常規(guī)的數(shù)控加工中，走刀步長短，意味著加工精度高，但會造成刀具軌跡線上刀位數(shù)據(jù)的密度大，程序指令冗長，更重要的是在一般加工方式下，對一般運動精度的機床而言，小步長程序指令的執(zhí)行會產(chǎn)生進給速度波動和平均速度下降，從而影響加工效率和表面質(zhì)量。反之，大的走刀步長，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給方向運動，這勢必帶來兩方面問題：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床工藝系統(tǒng)的熱變形。以上兩方面的問題都會影響工件的制造精度和表面完整性。針對以上存在的問題，本文提出了一種刀具可進讓式進給運動的數(shù)控切削加工新方法，這種一進一讓地進給切削加工有利于以上問題的解決。

2 進讓式切削加工原理和數(shù)學(xué)模型

　　在五軸機床上，刀具沿被加工工件表面做直線插補運動時，取被加工曲面上3個加工點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Pi經(jīng)點Pi+1至點Pi+2的距離等于一個走刀步長。刀具從加工點只沿走刀方向進給一個步長到達點Pi+2后，再從點Pi+2沿走刀方向相反的方向回讓到只+l點，刀具就這樣一進一讓地進給切削工件曲面，稱之為進讓式切削加工。其中Pi、Pi+1、Pi+2三點之間的坐標(biāo)關(guān)系如下：

圖1球形刀五坐標(biāo)進讓式切削加工模型

3 加工精度的分析

　　走刀步長的計算：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，因而，刀具運動的包絡(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，對任一指定的直線逼近誤差極限e，根據(jù)文獻。

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

圖2刀具進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并得出以下結(jié)論。

　?、賻缀尉确治觯河蓤D2所示可知，刀具在回讓的過程中，也進行了切削加工，切削的部分主要是刀具在進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，走刀步長可以不必嚴(yán)格按照式(2)來確定，可以加大走刀步長，只要保證厶滿足上式即可。

　?、谑芰Ψ治觯喝鐖D3所示，按照文獻的分析，設(shè)f方向為進給方向f'方向為回退方向，F(xiàn)c為切削合力，可分解為進給力Ff和垂直進給力Ffn。由于采用進讓式切削加工，切削力方向間斷地發(fā)生變化，刀具的主軸沿進給方向受到切削力的一個分力Ff的作用，沿回讓方向受到切削力的一個分力F，&rsquo;的作用很小，這兩種力對刀軸產(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，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，但采用進讓式切削加工，在刀具回讓的過程中，刀具漸漸地遠離進給方向的切削區(qū)，這便在切削區(qū)形成了空氣氣流的流動，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)合上面的步長計算式來確定；②刀具在回讓的過程中，基本上是不進行切削加工，但刀桿的彈性變形可以得到恢復(fù)。

　　總之，在采用進讓式進給切削加工中，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。采用進讓式切削加工，在刀具回讓的過程中，刀具漸漸地遠離進給方向的切削區(qū)，這時便在切削區(qū)形成了外來空氣氣流的流動，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)力對刀具和工件都起到了保護作用，提高了被加工曲面的表面質(zhì)量和加工精度。

4 刀具進讓式進給切削加工的算法及步驟

　　為了在五軸數(shù)控切削加工中實現(xiàn)進讓式進給，在生成數(shù)控指令時，對于一些特殊的復(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)，在計算得到其加工刀位節(jié)點后，將反映進讓式進給運動規(guī)律的算法表現(xiàn)在數(shù)控指令生成的刀位計算中即可實現(xiàn)進讓式進給加工。對于一般的曲面工件，利用商用CAll軟件環(huán)境，將實體幾何要素輸入到計算機，可以得到工件實體模型的數(shù)控加工指令。最后，在已有指令中插入進讓運動指令。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。(2)由于五軸加工中各軸均做直線插補運動，故在5個軸上按照式(1)以相同的回讓系數(shù)k來實現(xiàn)進讓式進給運動插值節(jié)點的計算和回讓運動分配。(3)最后重新生成數(shù)控指令。

5 試驗結(jié)果與分析

　　按照上述技術(shù)原理選用材料為45號鋼的工件進行車Iiili工試驗，加工條件相同，即吃刀深度相同(2mm)，軸向總進給量相同(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給量的增加而逐漸減少；在進讓式切削加工中，加工刀具每進給5mm就回讓3mm，在測量工件的同部位發(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)試驗發(fā)現(xiàn)，運用進讓式進給加工方法對機床上各進給運動副的往復(fù)運動精度要求較高，加之進給電機正反轉(zhuǎn)頻繁，故宜選用直線電機。

6 結(jié)語

　　通過研究表明：采用進讓式切削加工，一方面有利于機床工藝系統(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合。