CN113547156B - 三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，属于数控数字化加工精密制造技术领域。该方法首先构建曲率光顺连续的涡轮轴三维加工模型；然后确定加工设备和装夹定位方式；再确定刀具、刀具轴相对锥面体朝向及侧倾角度；最后进行零件加工，加工工序按照顺序包括粗铣、半精铣、刀刃磨损量计算、精度试加工、刀刃磨损补偿、精铣；在精度试加工和刀刃磨损补偿前均需要进行机床在线检测；粗铣、半精铣时采用逆铣切削的方式，精铣时采用顺铣切削的方式；总切削时间不超过4h。本发明解决了现有涡轮轴异形变径三维型面加工无法满足0.006mm形状度和Ra 0.8粗糙度要求的技术问题，大大提高了加工效率，易于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于数控数字化加工精密制造技术领域，具体涉及一种三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法。
背景技术
涡轮涡杆转子轴、凸轮传动轴、发动机曲轴等是机械传动装置的关键部件，在船舶领域应用广泛发挥着巨大作用。它的加工质量和技术性能直接影响到产品的运动精度、使用寿命和整体性能。其用于配合、传动、连接的三维型面体要求具有超高的精度尺寸和表面质量，形状度要求小于0.006mm，表面粗糙度Ra 0.8，外圆和各基准端面跳动小于Φ0.005mm，且该类零件为长轴盘形回转类，加工时外端悬出较长，材料去除量大，轴外圆、壁厚和三维配合型面在圆周上的变化量要求严格，普通设备和传统方法无法达到该精度要求。
涡轮轴锥面体各截面轮廓形状为三维异形变半径型面，如图2所示。因其结构形状和精度特性，该零件无法采用车削和磨削方式加工，也无法采用旋转类刀具进行侧刃轮廓铣削，一般的3、4、5轴立、卧式铣削加工中心都无法高精度、稳定装夹和切削，无法保证加工精度和表面要求。目前，对于该结构形状和精度要求的零件，技术还不成熟处于摸索阶段，没有很好的加工办法。
涡轮轴的加工是一个轴向、径向和周向同步运动的过程，需要在车铣复合机床上采用球头铣刀通过数控程序实现X轴、Z轴、B轴、C轴联动和Y轴永远恒定保持在零件回转中心的方式，从而保证涡轮轴型面的形状度。所以数控程序编制的精度直接影响零件的加工精度。传统采用的4轴联动和径向走刀方式，无法有效控制切削时产生的抗力、振颤和进给误差，会产生残留、刀纹和跳点，无法保证0.006mm的形状度和Ra 0.8的粗糙度要求。
涡轮轴材料具有高硬度、高强度和高耐磨性，且加工余量较大，加工过程中刀具磨损严重，因刀具磨损，造成涡轮轴三维加工型面轴向各直径上有一定的差异，初始截面比最终截面轮廓尺寸小了单边0.02mm，无法保证0.006mm的形状度要求。因此如何克服现有技术的不足是目前数控数字化加工精密制造技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种三维异形变径涡轮轴锥面体的车铣复合精密镜面加工方法，以解决现有涡轮轴异形变径三维型面加工无法满足0.006mm形状度和Ra 0.8粗糙度要求的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，包括如下步骤：
步骤（1），构建曲率光顺连续的涡轮轴三维加工模型；
步骤（2），确定加工设备和装夹定位方式：采用卧式车铣复合加工设备；待加工零件较重一端安装靠近卡盘方向三爪夹持外圆，另一端尾座顶中心孔，中心架支撑靠近加工部位位置；
步骤（3），确定刀具、刀具轴相对锥面体朝向及侧倾角度：采用球头铣刀，锥面体小端朝向Z轴正方向，刀具主轴朝锥面体大端侧倾摆动B轴38°～55°角；
步骤（4），零件加工：对零件进行加工，加工工序按照顺序包括粗铣、半精铣、精度试加工、刀刃磨损补偿计算、精铣；在精度试加工和刀刃磨损补偿计算前均需要进行机床在线检测；粗铣、半精铣时采用逆铣切削的方式，精铣时采用顺铣切削的方式，总的切削不超过4h。
进一步，优选的是，步骤（1）的具体方法为：对涡轮轴进行三维造型，把图样中要求的各截面型值数据通过点位的形式确定位置坐标，通过曲率分析采用二维圆弧曲线按逐段相切的方式把所有点位光顺的连接起来，局部无法相切点按公差和曲率进行光顺调整，以保证曲线曲率均匀连续，然后把各截面二维圆弧曲线通过锥面体母线扫掠建立三维模型。
进一步，优选的是，步骤（3）中，球头铣刀直径为14mm～20mm。
进一步，优选的是，步骤（4）的具体方法为：
a、粗铣：待加工零件较重一端安装靠近卡盘方向三爪夹持外圆，另一端尾座顶中心孔，中心架支撑靠近加工部位位置；找正待加工零件两端外圆和基准端面跳动在0.02mm以内，采用球头铣刀粗铣，螺旋同步逆铣方式，小端切入，大端切出，单边留0.3mm精加工余量；分多次逐层去除毛坯余量；
b、半精铣：检查校正两端外圆跳动和基准端面跳动在0.01mm以内，采用螺旋同步顺铣方式进行半精铣，采用球头铣刀粗铣，螺旋同步逆铣方式，小端切入，大端切出，单边留0.12mm精加工余量，一刀去除毛坯余量；
c、第一次机床在线检测：调用机床红外探头，校准精度在0.01mm以内；然后进行在线检测，根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量数据和尺寸差值，计算剩余加工余量；
d、精度试加工：松开并移走中心架；更换一片新的刀片；检查校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，进行精度试加工，单边留0.05～0.06mm精加工余量，一刀连续完整恒定顺铣切削整个加工表面；
e、第二次机床在线检测：调用红外探头，校准精度在0.003mm以内；然后进行在线检测，根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量和尺寸误差，计算剩余加工余量；
f、刀刃磨损补偿计算：依据第二次机床在线检测的在线检测数据，整理和计算各个截面位置的刀刃磨损量规律数据，并按光顺的曲率和型面母线做出刀刃磨损变化规律曲线和补偿曲线，按补偿曲线来调整刀具切削路径；
g、精铣：更换一片新的刀片；校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，按照步骤f获得的补偿曲线进行精铣，连续完整同步恒定顺铣切削，整个型面加工过程中一次性无接痕连续光顺切削。
进一步，优选的是，粗铣时，切深2mm，步距5mm，转速700～1000rpm，走刀200～300mm/min。
进一步，优选的是，半精铣时，切深0.5mm，步距1mm，转速1800～2300rpm，走刀400～500mm/min。
进一步，优选的是，第一次机床在线检测时，按加工面各截面型值位置，60度均分3个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上最大最小值共计6个点位尺寸，3个截面共计18个检测点位。
进一步，优选的是，精度试加工时，切深0.06mm，步距0.16mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。
进一步，优选的是，第二次机床在线检测时，按探头直径的1.5倍轴向尺寸均匀选取两端和中间共16个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上选取最大最小值共计6个点位尺寸，18个截面共计108个检测点位。
进一步，优选的是，精铣时，切深0.06mm，步距0.12mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。
本发明的技术特点如下：
1）、构建曲率光顺连续的三维加工模型
依据产品图样、尺寸公差和技术要求，利用UG CAD软件对涡轮轴进行三维造型。首先把图样中要求的各截面型值数据通过点位的形式确定位置坐标，不使用二维样条和高阶曲线，而是全部通过曲率分析采用最简单的二维圆弧曲线按逐段相切的方式把所有点位光顺的连接起来，局部无法相切点按公差和曲率进行调整，保证曲线曲率均匀连续，然后把各截面二维圆弧曲线通过锥面体母线扫掠建立三维模型。
与传统的实体建模相比，克服了传统三维实体建模导致的编程数据不连续光顺、出现跳点和抖动的问题，同时解决了不易根据零件设计精度进行数据调整的问题。曲率平顺光滑连续的三维加工模型保证后续加工编程准确性，生成光顺刀轨提高加工精度。
2）、确定加工设备和装夹定位方式
根据零件细长轴回转结构、截面轮廓形状特点和高精度尺寸、高粗造度的加工要求，首先要保证高精度、稳定的装夹和定位，（如图1所示）确定采用卧式车铣复合加工方式，一夹一顶，中心架支撑。零件较重一端安装靠近卡盘方向三爪夹持外圆，另一端尾座顶中心孔，中心架支撑靠近加工部位位置，采用过定位装夹方式，能更好的增加零件定位的稳定性和刚性，以保证装夹精度。
3）、采用球头铣刀以铣代磨切削方式
优选高刚性、高精度直径较大、较短的（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀（可更换刀片），采用YG类强度和耐磨性较好的硬质合金涂层刀片，阶梯式刀柄增加强度。球头铣刀以较高的转速和极微小的进刀深度（0.04 mm～0.06mm）以铣代磨。通常选用小直径刀具，以减小抗力、振颤和抖动，提高转速保证光洁度。本发明中，加工方案能够保证高精度稳定的装夹、连续恒定平稳的切削状态和精确的尺寸加工及检测，所以可以选用大直径球头铣刀。增大刀具直径能够使加工时的刀刃与加工面的点切削变成线切削方式，球头铣刀切削刃与加工面的点接触切削变成一段三维弧线切削，同时螺旋刀路升角前部的刀刃和后侧刀刃可以形成重叠切削区域，前侧刀刃切削完后侧进行修磨。这样就大大增加了刀刃和加工面的接触面积，从而可以增大切削步距，缩短整个加工路径距离，还能够提高加工表面的粗糙度。加工表面每个切削位置都能被重复的修整和光顺，使得球头铣刀就像一个弧形砂轮一样在磨削，大大提高了零件的粗糙度和光洁度。
4）、确定刀具轴相对锥面体朝向及侧倾角度
如图1所示：锥面体小端朝向Z轴正方向，刀具主轴朝锥面体大端侧倾摆动B轴38°～55°角。刀具轴与锥面体轮廓母线夹角尽可能保持最小，以控制切削时较小的螺旋升角，使切削速度平缓，同时能够使球头铣刀外侧刀刃对零件产生切削，而不是靠近刀刃中心位置。不仅增加了刀刃和轮廓的切削接触面积，增大切除率，减少了切削步距和加工时间，而且保证了切削时刀刃较高的线速度，从而提高加工表面的尺寸精度、粗造度和光洁度。
5）、确定加工方向、顺序和螺旋同步顺铣切削方式
如图2~4所示：加工时，采用球头铣刀从锥面体小端切入（螺旋刀路轨迹小端向大端），大端切出，全部加工表面用一条连续完整的螺旋刀轨永远按顺时针（朝Z轴正方向看）方向一直从锥体小端向大端按螺旋刀轨路径以永远恒定的切削角度（刀具和加工面切削角度始终保持恒定）、恒定的切削方向、恒定的切削速度和线速度对零件进行轴向和周向的同步顺铣切削。粗加工时毛坯余量大采用逆铣（逆时针左旋刀路轨迹），可以有效去除余量，切削状态稳定。最终精加工时余量较小采用顺铣（顺时针右旋刀路轨迹），使加工中所产生的切削抗力较多的转化为零件残余压应力方向从而减小切削应力变形和振动，同时，精加工采用顺铣切削时，球头铣刀切削刃不会对已加工表面产生二次复切和刮蹭，可以较好的保证加工面的尺寸精度和表面粗糙度。
6）、设计连续恒定切削状态的螺旋刀具轨迹
如图3和图4所示：螺旋刀轨采用车铣复合X轴、Z轴、B轴、C轴联动和Y轴永远恒定保持在零件中心的方式，螺旋刀轨在加工表面任意位置上的刀轴侧倾角度B轴(刀轴：38°～55°角)、切深和步距保持恒定一致，在圆周方向上的每次C轴分度旋转角度（分度矢量）和每次进给步长也保持恒定一致，整个加工过程恒定分度角度（0.6度～1度以内）保持圆周方向均布（刀具每一步长旋转地的角度），同时，C轴旋转角度和圆周上的位移（0.4mm～0.7mm以内）保持同步，且距离相等（轴向均布）。整个加工过程采用恒定的角度、C轴分度、刀轴矢量、切削方向、切削深度、切削步距、切削速度和线速度，能够有效控制每个切削点保持恒定连续一致的切削力和切削状态，全表面一条连续恒定切削状态的螺旋刀轨朝一个方向一刀无接痕一次性切削成型，使加工面上产生的切削抗力、振颤和变形、进给和反向误差、刀纹和跳动量得到较好的控制。保证较好的尺寸精度、表面粗糙度和光洁度，连续性、光顺度、结构性较好。同时螺旋环切只需要一次切入和切出，避免了加工区域间和不同方向间的每次进刀、退刀和抬刀动作，大大减少了刀轨数量和步进次数，进而缩短了加工时间，最大程度的提高了加工效率。
7)、确定加工工艺路线、工序和加工量
整个加工过程需要（a、粗铣→b、半精铣→c、机床在线检测→d、精度试加工→e、机床在线检测→f、刀刃磨损补偿→g、精铣）共7道工序，其内容如下：
a、粗铣：(按图1所示)车铣复合中心三爪夹零件大端外圆，小端中心孔顶尾座顶尖，中心架支撑靠近加工部位位置（中间强度较弱位置用液压中心架支承）。找正两端外圆和端面跳动在0.02mm以内，采用（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀粗铣，螺旋同步逆铣方式，小端切入，大端切出，单边留0.3mm精加工余量。切深2mm，步距5mm，转速700～1000rpm，走刀200～300mm/min，稳定性和效率兼顾，分切削层多次逐层去除毛坯余量。
b、半精铣：检查校正两端外圆跳动在0.01mm以内，校正两端外圆和基准端面跳动在0.01mm以内，半精铣整个三维型面，采用螺旋同步顺铣方式，加工方法、刀具与粗加工一致，单边留0.12mm精加工余量，切深0.5mm，步距1mm，转速1800～2300rpm，走刀400～500mm/min，一刀去除毛坯余量，保证加工部位形状完整，刀路连续光顺。
c、机床在线检测：调用机床红外探头，校准精度在0.01mm以内。按加工面各截面型值位置，均分3个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上最大最小值共计6个点位尺寸，3个截面共计18个检测点位。根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量数据和尺寸差值，计算剩余加工余量，为下一道工序提供精准的进刀数据和加工余量值。
d、精度试加工：三爪卡盘和尾座顶尖紧固不动，松开液压中心架，移动至安全位置。松开刀具本体刀片锁紧螺母，更换一片新的精铣刀片。检查校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，精度试加工，加工方法与最终精加工一致，单边留0.05～0.06mm精加工余量，因更换新刀片会存在0.015mm以内的误差，切深0.06mm，步距0.16mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。一刀连续完整恒定顺铣切削整个加工表面，加工参数、加工方向、切削速度和转速整体加工状态和精加工全部一致，加工完成后表面粗糙度和精铣后状态一样。
e、机床在线检测：调用红外探头，校准精度在0.003mm以内。
按加工面各截面型值位置，均匀选取两端和中间共16个截面进行检测，轴向按探头直径的1.5倍尺寸计算一个截面位置，每个截面位置圆周半径上选取最大最小值共计6个点位尺寸，18个截面共计108个检测点位，编制检测记录单，详细标明每个截面位置。根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量和尺寸误差，计算剩余加工余量，为最终精加工提供精准的进刀数据和加工余量值。
f、刀刃磨损补偿：依据上道工序的在线检测数据，对整个加工型面全部截面进行记录和分析，整理和计算各个截面位置的刀刃磨损量规律数据，并按光顺的曲率和型面母线做出刀刃磨损变化规律曲线和补偿曲线，按补偿曲线来调整刀具切削路径，然后通过机床参数补偿设置和程序补偿设计，消除刀刃磨损对尺寸造成的偏差。
g、精铣：最终精铣前，确认三爪卡盘和尾座顶尖紧固，液压中心架处于松开安全状态，检查电压、冷却液和机床运行正常，检查机床及刀具不做任何调整，必须保持和上道工序一样的刀具状态，使用新更换的刀片，检查机床补偿参数和刀刃磨损量计算值一致。校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，采用（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀精铣，连续完整同步恒定顺铣切削，切深0.06mm，步距0.12mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min，加工方法和全部切削参数与精度试加工保持一致。整个型面加工过程中一次性无接痕连续光顺切削，无任何啃刀、漏切和超差点。轮廓偏差值控制在0～0.003mm范围内，保证0.006mm全表面形状度要求和粗糙度Ra 0.8mm以内。
8）、运用在线形状度检测及刀刃磨损量检测，精确控制尺寸
涡轮轴异形变径锥面体由于本身的零件结构和轮廓形状特点，加工时无法重复找到基准，无法重复修正，加工中不允许零件出现松动和位移。整个加工型面精度要求较高，需要一次性加工精确保证，需要在机床上就精确检测加工尺寸及形状度。所以机床在线检测功能和精度校验尤为重要(机床探头检测精度误差控制在0.003mm以内)。在线形状度及刀刃磨损检测，为尺寸精度的控制和校核，为余量、误差补偿、刀具磨损量和进刀量的计算提供依据。
9）、通过刀刃磨损量计算及程序补偿设计，修正加工偏差
零件为高硬度、高耐磨性材料，选择强度和耐磨性较好的刀具，还是会出现0.01mm～0.02mm的磨损量。计算和总结加工时间内刀具的磨损量数据和规律（如图5所示），在保证加工精度和表面粗糙度前提下，刀具路径和程序设计要控制在最短时间内完成，通过限制总体切削时间（4小时）从而控制刀具磨损量。按照磨损位置、磨损数据和磨损规律对刀具磨损量偏差进行调整和优化，最后通过程序补偿设计，把刀具磨损量偏差全部消除，保证精确的加工尺寸。
10）、通过进给率优化设计，保证连续平顺的切削速率
基于UG软件post_builder五轴联动后处理器和VERICUT软件OptiPath模块，解决机床旋转轴和线性轴稳定匹配问题（X轴、Z轴和B轴、C轴连续稳定切削，Y轴恒定）。根据实际切削条件和材料去除量，为各切削路径和旋摆刀轴指定最佳的进给率，然后输出一个新的数控NC代码程序，该程序除了改进进给率，其余均与原来的相同，并不会改变原有的刀具轨迹和加工方式。在5轴数控加工中，由于旋转、摆动轴的影响，各坐标轴的运动速度及其变化率可能会超出其允许的最大速度和伺服驱动能力，需要根据机床各轴的速度、加速度与平稳性要求对合成进给速度进行校核和调整。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
采用球头铣刀以极微小的进刀深度以铣代磨，刀刃具有较高的线速度，旋转轴（B、C轴）和线性轴(X、Y、Z轴)连续稳定切削，控制每个切削点在轴向、周向和径向上保持恒定连续一致的切削力和切削状态，全表面延一条连续恒定切削状态的螺旋刀轨朝一个方向一刀无接痕一次性加工成型，使加工面上产生的切削抗力、振颤和变形、进给和反向误差、刀纹和跳动量得到较好控制。同时精确的在线测量和校验为高精度尺寸提供依据和保障，准确控制进刀量，准确进行刀具磨损偏差补偿，从而精确保证了全表面任意点的尺寸精度。
产品在整个型面加工过程中一次性无接痕连续光顺切削，无任何啃刀、漏切和超差点，尺寸精度、形位公差和表面粗糙度较好。经三坐标最终检测，实际轮廓偏差值控制在0～0.0028mm范围内，保证了0.006mm的形状度要求，表面粗糙度实际效果达到了Ra 0.6～Ra0.7的粗糙度。严格保证了设计的尺寸及形位精度、形状度、表面粗糙度和光洁度要求，并大大提高了加工效率。
附图说明
图1为加工设备(车铣复合中心)及装夹示意图；
图2为涡轮轴整体结构及加工轮廓截面示意图；其中，a、涡轮轴整体结构示意图；b、涡轮轴局部放大图；c、b中A-A剖视图；d、b中B-B剖视图；e、b中C-C剖视图；
图3为保持恒定切削状态螺旋刀路轨迹示意图；
图4为加工轨迹刀轴矢量及周向恒定分度状态；
图5为球头刀刃磨损量数据与加工时间规律图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
步骤一：加工工艺分析，确定加工方案
a)、装夹方式：本实施例中零件形状度要求0.006mm，表面粗糙度Ra 0.8，外圆和端面跳动φ0.005mm，材料52CrMoA+NiCr15MoTi，总长1539.19mm。根据零件长轴回转结构、三维异形变径截面轮廓形状（如图2所示）和高精度加工要求。采用卧式车铣复合加工模式，一夹一顶，中心架支撑，过定位装夹方式（如图1所示）。
d)、加工方法：涡轮轴的加工是一个轴向、径向和周向同步切削运动的过程，只有在车铣复合机床上采用球头铣刀通过数控程序实现X轴、Z轴、B轴、C轴联动和Y轴永远恒定保持在零件回转中心的方式（如如图1所示），才能较好的保证涡轮轴三维型面的形状度。
采用球头铣刀以较高的转速和极微小的进刀深度（0.04mm～0.06mm）以铣代磨切削方式。锥面体小端朝向Z轴正向，刀具主轴朝锥面体大端侧倾摆动B轴38°～55°角，球头铣刀从锥面体小端切入，大端切出，全部加工表面用一条连续完整的螺旋刀轨永远按顺时针（朝Z轴正向看）方向一直从锥体小端向大端保持同步恒定顺铣切削，采用恒定的摆动角度、C轴分度、刀轴矢量、切削深度、切削方向、切削步距和周向步长、切削速度和线速度。
c)、刀具选用：根据卡盘尺寸、零件尺寸、中心架位置和刀具路径空间，确定B轴摆动角度和刀具伸出长度。优选高刚性、高精度直径较大、较短的（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀，采用YG类强度和耐磨性较好的硬质合金涂层刀片，阶梯式刀柄增加强度。
步骤二：利用UG软件规划加工刀具路径
a）、构建曲率光顺连续的三维加工模型
依据产品图样、尺寸公差和技术要求，利用UG CAD软件对涡轮轴进行三维造型。首先把图样中要求的各截面型值数据通过点位的形式确定位置坐标，不使用二维样条和高阶曲线，而是全部通过曲率分析采用最简单的二维圆弧曲线按逐段相切的方式把所有点位光顺的连接起来，局部无法相切点按公差和曲率进行光顺调整，保证曲线曲率均匀连续，然后把各截面二维圆弧曲线通过锥面体母线扫掠建立三维模型。与传统的实体建模相比，本实施例方法克服了传统三维实体建模导致的编程数据不连续光顺、出现跳点和抖动的问题，同时解决了不易根据零件设计精度进行数据调整的问题。曲率平顺光滑连续的三维加工模型保证了后续加工编程的准确性，生成光顺连续尺寸精确的刀具路轨以保证加工精度。
b）、刀具路径设计
对零件结构、技术要求和加工特点全面分析，明确加工要点、技术指标及实现方式，采用UG软件基于三维加工模型，完成三维异形变径涡轮轴椎面体连续恒定切削状态的螺旋刀路轨迹设计。如如图3和4所示：螺旋刀轨采用车铣复合X轴、Z轴、B轴、C轴联动和Y轴永远恒定保持在零件中心的方式，螺旋刀轨在加工表面任意位置上的刀轴侧倾角度B轴(刀轴：38°～55°)、切深和步距保持恒定一致，在圆周方向上的每次C轴分度旋转角度（分度矢量）和每次进给步长也保持恒定一致，整个加工过程恒定分度角度（0.6度～1度以内）保持周向均布，同时，C轴旋转角度和圆周上的位移（0.4mm～0.7mm以内）保持同步，且距离相等（轴向均布）。整个加工过程采用恒定的角度、C轴分度、刀轴矢量、切削方向、切削深度、切削步距、切削速度和线速度，能够有效控制每个切削点保持恒定连续一致的切削力和切削状态，使加工面上产生的切削抗力、振颤和变形、进给和反向误差、刀纹和跳动量得到较好的控制。保证较好的尺寸精度、表面粗糙度和光洁度，连续性、光顺度、结构性较好。同时螺旋环切只需要一次切入和切出，避免了加工区域间和不同方向间的每次进刀、退刀和抬刀动作，大大减少了刀轨数量和步进次数，进而缩短了加工时间，最大程度的提高了加工效率。
步骤三：生成机床程序优化切削参数进行3D仿真模拟
1）、构建车铣复合五轴联动后处理器
利用UG POST根据机床结构特性、行程、技术参数和加工要求构建后处理器。（如如图1所示）：本实施例采用的是数控卧式车铣复合加工中心，SINUMERIK 840DSL系统，车削最大范围：φ1000×4570，Y轴行程：400(-175～+225)， B轴摆角：±110°，C轴转角：360°×N，HSK-A63刀柄，自定心液压中心架。
2）、生成机床NC数控程序
利用车铣复合五轴联动后处理器生成机床NC数控加工程序。结合NC程序和工艺路线，编制数控加工工艺规程，对加工过程、顺序和加工内容进行说明，明确装夹方式、位置、对刀基准和找正依据、刀具直径、长度、程序零点位置等加工元素。
3）、进行切削参数优化
基于后置处理器优化刀轨、切削参数和空间坐标点、公差精度等。基于后置处理器解决5轴联动旋转轴和线性轴高速稳定匹配问题（X轴、Y轴、Z轴B轴、C轴连续高速切削）。在5轴数控加工中，由于旋转、摆动轴的影响，各坐标轴的运动速度及其变化率可能会超出其允许的最大速度和伺服驱动能力，需要根据机床各轴的速度、加速度与平稳性要求对合成进给速度进行校核和调整。根据实际切削条件和材料去除量，为各切削路径和旋摆刀轴指定最佳的进给率，然后输出一个新的数控NC代码程序，该程序除了改进进给率，其余均与原来的相同，并不会改变原有的刀具轨迹和加工方式。
4）、3D仿真模拟校验
在VERICUT软件中，根据机床实际尺寸建立模型，以床身到毛坯、床身到刀具运动链建立运动树，以实际的位置关系进行装配和旋转轴的设计。通过不断调试获得与实际情况相同的机床仿真模型。
按机床NC数控程序和加工要求，运用vericut 3D仿真验证加工程序及整体运行效果（如图1所示），并实时调整，检验是否存在干涉、过切以及机床碰撞和临界碰撞等问题，以此有效提高加工效率和安全性，操作和实现方便。真实反映加工过程，为程序的调整及优化提供依据，优化切削参数、改进加工方案、计算加工时间、降低关重零件的试制风险及废品损失、缩短加工周期和技术准备时间，将零件的加工质量控制点提前到工艺设计阶段。
步骤四：加工工艺及加工步骤
1、粗铣
零件全部加工部位经粗车—调质—精车后，(按如图1所示)：采用卧式车铣复合加工中心三爪卡盘夹零件大端外圆（垫铜皮保护已加工外圆），零件加工型面小端朝向Z轴正方向，大端朝向卡盘一侧，小端中心孔顶尾座顶尖，长轴中间强度较弱位置用液压中心架支承。找正两端外圆跳动在0.02mm以内，找正两端外圆相对基准端面跳动在0.02mm以内，夹紧卡盘，紧固尾座顶尖，慢慢抱紧液压中心架，加工面两侧已磨外圆贴保护纸防止切屑刮伤。让机床在铣削模式下进行C轴空运转，后松开中心架，检测调整外圆、内孔以及中心架支承部位跳动量小于0.02mm，然后再慢慢抱紧液压中心架。选用高刚性、高精度直径较大、长度较短的（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀（阶梯式刀柄）。调用刀具移动至加工部位极限位置，刀具主轴朝锥面体大端侧倾摆动B轴 55°角，检查主轴和刀体不能和卡盘、中心架、尾座以及零件不加工表面发生碰撞和干涉。
编制三维异形变径锥面体型面粗加工程序，采用球头铣刀从锥面体小端切入，大端切出，全部加工表面用多条连续完整的螺旋刀轨按逆时针（朝Z轴正方向看）方向一直从锥体小端向大端保持恒定同步逆铣切削，设定好程序零点和刀具补偿参数。
执行加工程序，采用（Φ14mm～Φ20mm）球头铣刀粗铣整个三维型面，单边留0.3mm精加工余量。切深2mm，步距5mm，转速700～1000rpm，走刀200～300mm/min，分多次逐层去除毛坯余量，喷冷却液。加工完成后，清理加工面，观察加工部位形状及余量去除情况，检查刀具是否有缺损，没有问题即转入下一道工序。
2、半精铣
检查校正两端外圆跳动在0.01mm以内，校正两端外圆相对基准端面跳动在0.01mm以内。编制三维异形变径锥面体型面半精加工程序，加工方法、刀具和零点位置与粗加工一致。
执行程序，半精铣整个三维型面，单边留0.12mm精加工余量。切深0.5mm，步距1mm，转速1800～2300rpm，走刀400～500mm/min，分一层一刀去除毛坯余量，喷冷却液。检查加工部位形状及余量去除情况，要求加工部位形状完整，表面粗糙度均匀。
3、机床在线检测
调用机床红外探头，校准精度在0.01mm以内。编制探头检测程序，按加工面各截面型值位置，均匀选取两端和中间共3个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上选取最大最小值共计6个点位尺寸，3个截面共计18个检测点位。
准确检测各测量点位，记录检测数据并与理论数据进行对比分析，计算各位置上的刀具磨损量和尺寸误差，计算剩余加工余量，为下一道工序提供精准的进刀数据和加工余量值。
4、精度试加工
三爪卡盘和尾座顶尖紧固不动，缓缓松开液压中心架，移动至安全位置。松开刀具本体刀片锁紧螺母，更换一片新的精铣刀片，采用肯纳公司YG类强度和耐磨性最好的硬质合金涂层刀片。
再次检查校正两端外圆跳动在0.005mm以内，校正两端外圆相对基准端面跳动在0.005mm以内。编制三维异形变径锥面体型面精度试加工程序，加工方法与最终精加工一致。
按检数据调整刀具补偿，执行程序，精度试加工整个三维型面，单边留0.05～0.06mm精加工余量，因更换新刀片会存在0.015mm以内的误差。切深0.06mm，步距0.16mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min，一刀连续完整恒定同步顺铣切削整个加工表面。加工参数、加工方向、切削速度和转速整体加工状态和精加工全部一致，加工完成后表面粗糙度和精铣后状态一样，表面不应有跳点、震纹和接痕，光洁度反射面一致，刀路应光顺连续，才能进行下一道工序。
5、机床在线检测
调用机床红外探头，校准精度在0.003mm以内。编制探头检测程序，按加工面各截面型值位置，均匀选取两端和中间共16个截面进行检测，轴向按探头直径的1.5倍尺寸计算一个截面位置，每个截面位置圆周半径上选取最大最小值共计6个点位尺寸，18个截面共计108个检测点位，编制检测记录单，详细标明每个截面位置。
调用机床探头后，要连续对加工面进行2到3次的复测，每次检测间隔10钟，并且中间不许将探头还回刀库，也不准确检测各测量点位，记录检测数据与理论数据进行对比分析，计算各位置上的刀具磨损量和尺寸误差，计算剩余加工余量，为最终精加工提供精准的进刀数据和加工余量值。
6、刀刃磨损补偿计算
依据上道工序的在线检测数据，对整个加工型面全部截面进行记录和分析，计算各个截面位置的刀刃磨损量，按光顺的曲率和型面母线做出刀刃磨损变化规律曲线和补偿曲线，按补偿曲线生成三维加工模型，基于补偿三维模型调整刀具切削路径，然后通过机床参数补偿设置和程序补偿设计，共同消除刀刃磨损对尺寸造成的偏差。
本实施例中零件为高硬度、高耐磨性材料，选用YG类高强度和耐磨性刀片，会出现0.01mm～0.02mm的磨损量。计算加工时间内刀具的磨损量数据和规律（如图5所示），在保证加工精度和表面粗糙度前提下，刀具路径和程序设计要控制在最短时间内完成，通过限制总体切削时间（4小时）从而控制刀具磨损量。
7、精铣
最终精铣前，确认三爪卡盘和尾座顶尖紧固，液压中心架处于松开安全状态，检查电压、冷却液和机床运行正常，检查刀具及刀片不做任何调整，必须保持和工序4一样的刀具状态，使用新更换的刀片，检查机床补偿参数和刀刃磨损量计算值一致。
最后检查校正两端外圆跳动在0.005mm以内，校正两端外圆相对基准端面跳动在0.005mm以内。
执行经过刀刃磨损偏差补偿的加工程序，最后一刀精铣整个三维型面，全表面采用一条连续恒定切削状态的螺旋刀轨从小端切入大端切出始终朝一个方向一刀无接痕一次性同步顺铣切削成型。切深为0.06mm，步距0.16mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。整个型面加工过程中一次性无接痕连续光顺切削，无任何啃刀、漏切、震纹和跳点。形状度：实际轮廓偏差值控制在0～0.0028mm范围内，保证了0.006mm的全表面形状度要求，表面粗糙度：实际效果达到了Ra 0.6mm～Ra 0.7mm，保证了Ra 0.8mm的表面粗糙度要求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1），构建曲率光顺连续的涡轮轴三维加工模型；
步骤（2），确定加工设备和装夹定位方式：采用卧式车铣复合加工设备；待加工零件较重一端安装靠近卡盘方向三爪夹持外圆，另一端尾座顶中心孔，中心架支撑靠近加工部位位置；
步骤（3），确定刀具、刀具轴相对锥面体朝向及侧倾角度：采用球头铣刀，锥面体小端朝向Z轴正方向，刀具主轴朝锥面体大端侧倾摆动B轴38°～55°角；
步骤（4），零件加工：对零件进行加工，加工工序按照顺序包括粗铣、半精铣、精度试加工、刀刃磨损补偿计算、精铣；在精度试加工和刀刃磨损补偿计算前均需要进行机床在线检测；具体如下：
a、粗铣：待加工零件较重一端安装靠近卡盘方向三爪夹持外圆，另一端尾座顶中心孔，中心架支撑靠近加工部位位置；找正待加工零件两端外圆和基准端面跳动在0.02mm以内，采用球头铣刀粗铣，螺旋同步逆铣方式，小端切入，大端切出，单边留0.3mm精加工余量；分多次逐层去除毛坯余量；
b、半精铣：检查校正两端外圆跳动和基准端面跳动在0.01mm以内，采用螺旋同步顺铣方式进行半精铣，采用球头铣刀粗铣，螺旋同步逆铣方式，小端切入，大端切出，单边留0.12mm精加工余量，一刀去除毛坯余量；
c、第一次机床在线检测：调用机床红外探头，校准精度在0.01mm以内；然后进行在线检测，根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量数据和尺寸差值，计算剩余加工余量；
d、精度试加工：松开并移走中心架；更换一片新的刀片；检查校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，进行精度试加工，单边留0.05～0.06mm精加工余量，一刀连续完整恒定顺铣切削整个加工表面；
e、第二次机床在线检测：调用红外探头，校准精度在0.003mm以内；然后进行在线检测，根据测量数据计算各位置上的刀具磨损量和尺寸误差，计算剩余加工余量；
f、刀刃磨损补偿计算：依据第二次机床在线检测的在线检测数据，整理和计算各个截面位置的刀刃磨损量规律数据，并按光顺的曲率和型面母线做出刀刃磨损变化规律曲线和补偿曲线，按补偿曲线来调整刀具切削路径；
g、精铣：更换一片新的刀片；校正两端外圆和基准端面跳动在0.005mm以内，按照步骤f获得的补偿曲线进行精铣，连续完整同步恒定顺铣切削，整个型面加工过程中一次性无接痕连续光顺切削。
2.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，步骤（1）的具体方法为：对涡轮轴进行三维造型，把图样中要求的各截面型值数据通过点位的形式确定位置坐标，通过曲率分析采用二维圆弧曲线按逐段相切的方式把所有点位光顺的连接起来，局部无法相切点按公差和曲率进行光顺调整，以保证曲线曲率均匀连续，然后把各截面二维圆弧曲线通过锥面体母线扫掠建立三维模型。
3.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，步骤（3）中，球头铣刀直径为14mm～20mm。
4.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，粗铣时，切深2mm，步距5mm，转速700～1000rpm，走刀200～300mm/min。
5.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，半精铣时，切深0.5mm，步距1mm，转速1800～2300rpm，走刀400～500mm/min。
6.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，第一次机床在线检测时，按加工面各截面型值位置，60度均分3个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上最大最小值共计6个点位尺寸，3个截面共计18个检测点位。
7.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，精度试加工时，切深0.06mm，步距0.16mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。
8.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，第二次机床在线检测时，按探头直径的1.5倍轴向尺寸均匀选取两端和中间共16个截面进行检测，每个截面位置圆周半径上选取最大最小值共计6个点位尺寸，18个截面共计108个检测点位。
9.根据权利要求1所述的三维异形变径涡轮轴锥面体车铣复合精密镜面加工方法，其特征在于，精铣时，切深0.06mm，步距0.12mm，转速6800～8000rpm，走刀500～600mm/min。
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