复杂曲面数控加工误差
复杂曲面数控加工误差【1】
摘要：复杂曲面数控加工中存在的误差，降低了数控加工的精度。
导致加工误差产生的原因较多，如加工刀具的几何误差、工艺系统的制造误差、热力变形误差等。
复杂曲面数控加工误差主要包括刀轴转动误差和直线逼近误差。
控制或补偿这些误差，能够有效地提高复杂曲面数控加工的质量。
关键词：复杂曲面;数控加工;误差补偿;三轴数控
近年来，复杂曲面在模具、汽车、宇航等行业的应用越来越广泛。
随着工业技术的日新月异，工业生产对复杂曲面的尺寸精度与复杂形状零件的质量要求越来越高，对数控加工的要求也越来越高。
通常情况下，复杂曲面的加工均需要采用数控加工技术，以确保加工的精度与效率。
影响复杂曲面数控加工精度的因素较多，如刀具材料、CNC机床、曲面模型、曲面加工方法等。
在实际的复杂曲面数控加工中，刀具的理论运动轨迹和插补运动轨迹之间会存在着一些误差，从而造成理论曲面和实际加工曲面之间误差的产生。
在控制不严格的情况下，甚至会产生较大的复杂曲面数控加工误差，严重降低了数控加工的效率。
1 数控加工分析
目前，复杂曲线的加工大多采用五坐标联动数控加工、三坐标联动数控加工的方法。
虽然数控机床的精密度较高，但是也不可避免地存在着一定的加工误差。
分析研究数控加工误差，是控制复杂曲面数控加工质量，提高数控加工效率的必然要求。
数控加工通常采用的是端铣刀、环形刀与球形刀。
复杂曲面的加工采用球形刀具时，由于被加工曲面和球面上任意一点之间有着相同的接触效果，采用三轴联动数控加工装置就能够完成复杂曲面加工。
通常而言，球形刀具在三轴数控加工与五轴数控加工中均较为适用，而端铣刀具与环形刀具一般只适用于五轴数控加工，尤其是环形刀具，是经常用的五轴数控加工刀具。
由于现阶段数控机床一般为直线插补运动，控制刀具在两个相邻刀位点之间走直线运动，使得零件表面的曲率度被忽略了，每一条刀具沿着轨迹进行切削时均会产生一定的误差，即走刀运动误差。
以三轴数控复杂曲面加工为例，其在复杂凸曲面加工时，曲面和刀位之间产生了一定的误差，当用直线逼近曲面时，球形刀具的中心从P1处移至相邻的P2处，刀具走了一个步长。
在这个过程中，沿着插补直线方向，插补段L内加工表面法向矢量的转动角不断变化，位于P1处的θ/2变化至插补中点0，在P2点为-θ/2，从而产生了法向矢量转动误差δn。
与此同时，直线向曲线逼近时也会产生一定的误差δ1，所以总误差δ等于δn与δ1之和。
而运用球形刀具加工凹曲面时，其总误差δ等于δ1与δn的差。
2 复杂曲面数控加工误差分析
复杂曲面数控加工误差产生的原因主要包括加工刀具的几何误差、加工曲面和加工刀具间的几何运动误差、工艺系统的制造误差、热力变形误差以及编程计算误差等。
通常，复杂曲面数控加工误差可以分为刀轴摆动误差和直线逼近误差。
在复杂曲面数控加工的过程中，产生误差最大的部位是插补段的中点附近，此处的误差主要由最大转动误差与最大直线逼近误差构成。
转动误差指的是法向矢量转动误差，影响转动误差大小的因素主要有刀具半径、加工步长经过的曲面弧长、加工曲面的法曲率。
直线逼近误差主要受数控加工的复杂曲面形状的影响，而和加工刀具没有太大关联。
总而言之，刀具半径、走刀线路、走刀步长、被加工曲面的几何形状以及多轴联动机构的结构形式等，是影响复杂曲面数控加工误差的主要因素。
在复杂曲面数控加工中，补插段内的中点附近往往会产生最大的加工误差。
插补弦长直接决定着直线逼近误差，如果要降低直线逼近误差，就需要合理控制刀具进给速度和插补周期。
3 复杂曲面数控加工误差控制
3.1 刀轴转动误差补偿
如果复杂曲面数控加工过程中，加工表面沿着走刀方向是凸曲线的话，刀具切触点的运行轨迹就是凹曲线。
这种情况下会产生较大的加工误差，刀轴转动误差和直线逼近误差的和较大，若是采用刀具切触点偏置法，就能够在一定程度上补偿刀轴转动误差，进而降低总误差。
沿着加工表面外法向矢量方向，把刀具切触点A移动至A'点，将A'点当作新的刀具切触点，从而改变复杂曲面数控加工误差的分布，实现复杂曲面数控加工误差补偿的目的，详细情况见图2。
如果复杂曲面数控加工的加工表面沿着走刀方向是凹曲线，直线逼近误差δ1大于刀轴转动误差δn时，将不会产生超差，因此不用进行加工误差补偿。
刀轴转动误差补偿需要根据加工时的具体情况，采用恰当的方法加以控制。
3.2 直线逼近误差控制
在复杂曲面数控加工中，会存在直线向曲面逼近的情况，而只要存在这种情况，就会产生直线逼近误差δ1，即插补运动会不可避免地产生直线逼近误差δ1。
通常情况下，只能降低或控制直线逼近误差，而无法完全消除直线逼近误差或补偿直线逼近误差。
直线逼近误差的控制方法主要包括插补弦长控制、插补周期控制以及刀具进给速度控制。
首先，插补弦长控制。
在复杂曲面数控加工的加工曲面保持不变时，插补段内沿进给方向的法曲率就是一个定值。
此时，影响直线逼近误差的因素只有插补弦长，并且直线逼近误差和插补弦长的平方成正比。
因此，减少插补弦长，就能够在一定程度上降低复杂曲面数控加工中的直线逼近误差。
如果ε是直线逼近误差的极限，即ε≥δ1，那么ε>|Kf|L2/8。
在复杂曲面数控加工中，如果插补弦长需要控制在一定的范围内，以确保加工的精度。
因此，适当地缩短插补弦长，是降低直线逼近误差，提高复杂曲面数控加工精度的重要措施。
必须注意的是，不可以无限缩短插补弦长，在数控加工中数控系统的插补周期与刀具的进给速度共同决定了插补弦长的大小。
其次，插补周期与进给速度的控制。
在复杂曲面数控加工中，数控系统进给速度与插补周期直接影响着插补弦长。
通常而言，数控系统设定了插补周期，操作者设定了进给速度。
在进给速度保持不变的条件下，越小的插补周期就会有越小的插补弦长，也就会有越小的直线逼近误差。
与之类似，在插补周期保持不变的条件下，越小的进给速度就会有越小的插补弦长，也就有着越小的直线逼近误差。
因此，选用相对较小的插补周期的数控系统，数控加工时尽量降低刀具的进给速度，能够有效地降低复杂曲面数控加工的误差。
值得一提的是，在数控铣削加工中，曲线加工中的插补误差和刀具轨迹往复造成的切削行残留高度，均影响着复杂曲面数控加工的精度。
在实际的数控加工中，因为选择的切削用量不同，所以复杂曲面加工零件的表面也会存在较大的质量差异。
切削行残留高度误差是导致复杂曲面数控加工精度较低和加工零件表面粗糙度较高的主要因素，如果要控制此项误差，就必须合理控制切削行的宽度工艺参数。
因此，确定恰当的切削行宽度的工艺参数，是有效地控制复杂曲面数控加工误差的重要措施之一。
4 结语
综上所述，复杂曲面数控加工中不可避免地存在着一定的加工误差，只有将这些加工误差控制在一定的范围内，才能够确保数控加工的质量。
通常情况下，刀具半径、走刀线路、走刀步长、被加工曲面的几何形状、加工曲面和加工刀具间的几何运动误差和编程计算误差等因素，均影响着复杂曲面数控加工的误差。
复杂曲面数控加工误差可以分为刀轴转动误差和直线逼近误差。
转动误差指的是法向矢量转动误差，刀具半径、加工步长经过的曲面弧长等均影响着转动误差;当用直线逼近曲面时会产生直线逼近误差，复杂曲面的形状直接影响着直线逼近误差。
复杂曲面数控加工误差控制，具体而言就是刀轴转动误差的补偿和直线逼近误差控制。
在直线逼近误差的控制中，可以综合采用插补弦长控制、插补周期控制以及刀具进给速度控制的措施，降低复杂曲面数控加工误差。
参考文献
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曲面数控加工中的误差【2】
[摘 要]曲面加工，也就是三维立体行面的加工，可以在三、四、五坐标数控机床上进行和完成。
其中应用最广泛的是三坐标曲面加工。
曲面加工中的分析与优化一直是数控加工技术的重要研究方向和重要应用对象，尤其对加工误差的研究和分析更是非常重视。
数控加工中有很多原因会引起加工误差，例如机床、刀具和零件的热变形和弹性变形的误差，刀具尺寸的误差，机床的运动误差等，本文从加工方法的分析与补偿，走刀行距、加工带宽度和刀具半径等方面进行了分析和优化，对提高曲面零件的加工精度与效率等方面具有一定的.参考价值。
[关键词]曲面加工 加工误差的研究和分析 提高曲面零件的加工精度
曲面加工作为数控加工技术的重要研究和应用对象，其重点就是对加工误差的研究与分析，下面本文将对由加工方法引起的误差进行讨论。
一、加工方法的分析与补偿
1.1加工方法可使用平底立铣刀、锥形刀、鼓型刀、环型刀、球头刀进行三坐标曲面加工，加工特点是过程中刀具轴线方向始终平行于Z轴坐标轴。
1.2 加工误差分析
在球心刀刀心沿加工表面的等距离面上某一曲线作直线插补运动的过程中，刀具与加工表面之间的会发生加工误差，其中最大的误差在插补段中点附近发生，包括法向矢量转动误差和直线逼近误差。
并且和插补段的长度的平方呈正比，适量转动误差是因为加工表面法向矢量沿插补直线方向是转动所导致的，并且和刀具半径成正比。
1.3 法向矢量转动误差补偿
加工表面法向矢量沿插补直线方向的转动可导致法向矢量转动误差，我们可以使用修正刀心位置的方法进行补偿法向矢量转动误差，为了达到刀具的切削运动轨迹与曲面更逼近的目的，在实际处理的过程中，仅仅对凸曲面实施法向矢量转动误差补偿，而对凹曲面不做任何补偿，可提高加工精度[1]。
二、走刀行距的优化与分析
1.1在实际加工的过程中，刀具不可能和整个偏置曲面偏离，只是可能沿着它本身的一些有限的曲线轨迹运动。
所以刀具轨迹的生成方法也就是在零件曲面上确定刀具切触点的切削路线或在刀具偏置面上确定刀具的运动路线的方法，因为不一样的走刀轨迹对加工效率和加工质量都有重要的作用，所以现阶段对刀具轨迹的生成方法依然在不断研究中。
曲面加工通常只能一行一行的加工，也就是所谓的行切，使刀具沿各切削行刀具轨迹的运动来近似包络出被加工曲面。
走刀距离是两相邻刀具切触点路径间的距离。
它的大小在很大程度上会影响曲面加工的精度和效率，如果行距太小会成倍增加加工的时间，并且会造成编程效率下降和零件程序的膨胀，但是如果行距太大，又会导致表面残余高度增大，使得后续的处理工作量也加大，降低整体的效率，所以，为了符合在保障加工精度和表面粗糙的基础上提高生产率的要求，应该制定合理的加工方案以便在符合残余高度标准的基础上走刀行距最大化[2]。
影响走刀行距的主要因素：(1)刀具的尺寸与形状;(2)零件表面几何形状和安装的方位;(3)允许的表面残余高度要求;(4)走刀进给方向。
1.2 优化走刀行距
为了走刀行距的最大化，可以采取以下优化措施：(1)选择合理的工件安装方位;(2)选择合理的刀具：和球头刀比较，使用环形刀、鼓型刀、平底刀等一些非球面的刀具加工不仅可以改善切削条件，更可以加大走刀行距，如果在此基础上选择了合适的工件安装方位和进给方向，将会有更好的表面质量和加工效率;(3)选择合理的加工方向，选择环形刀和平底刀加工的过程中，选择的进给方向应该使方向角最小化，与鼓型刀相反。
1.3 走刀步长的优化与分析
控制加工误差的大小是走刀步长的计算依据，以往经验告诉我们，加工精度的要求越高，走刀的步长就要越小，加工效率和编程效率就会越低，所以，在符合加工精度要求的基础上，应该使走刀步长最大化，以提高加工效率和编程效率。
加工编程中，可以使用直线逼近误差和残余高度的方法，也可以使用固定走刀步长的方法，通常的情况下，如果曲面加工精度要求不太高的时候，或加工曲面的曲率半径较大，并且无尖角的时候，最科学合理的方式就是采用固定走刀步长，因为其计算相对简单，编程的效率高，程序的可靠性也比较高，而如果曲面加工精度要求很高的时候，或加工曲面的曲率半径较小，并且有尖角的时候，一般使用残余高度和固定弦差的方式进行编程。
三、加工带宽度的误差优化和分析
加工带宽是控制加工误差大小最重要的因素之一，根据以往经验，加工精度的要求越高，加工带宽就要越小，加工效率和编程效率就会越低，所以，在符合加工精度要求的基础上，应该使加工带宽最大化，以提高加工效率和编程效率。
加工编程中，可以使用直线逼近误差和残余高度的方法，也可以使用固定加工带宽的方法，通常的情况下，如果曲面加工精度要求不太高的时候，或加工曲面的曲率半径较大，并且无尖角的时候，最科学合理的方式就是采用固定加工带宽，因为其计算相对简单，编程的效率高，程序的可靠性也比较高，而如果曲面加工精度要求很高的时候，或加工曲面的曲率半径较小，并且有尖角的时候，一般使用残余高度和固定弦差的方式进行编程。
四、优化刀具半径
(1) 刀具的大小应该符合加工表面的大小
(2) 刀具半径应该与法向矢量转动误差成正比
(3)在相同的残余高度的前提下，刀具半径如果越大，那么球形行距就会越大，那么就会使其加工效率更高。
五、结束语
综上所述，曲面加工中的分析与优化一直是数控加工技术的重要研究方向和重要应用对象，尤其对加工误差的研究和分析更是非常重视。
数控加工中有很多原因会引起加工误差，例如机床、刀具和零件的热变形和弹性变形的误差，刀具尺寸的误差，机床的运动误差等，本文从加工方法的分析与补偿，走刀行距、加工带宽度和刀具半径等方面进行了分析和优化，对提高曲面零件的加工精度与效率等方面具有一定的参考价值。
参考文献
[1] 李东君.曲面数控加工中的误差分析与优化[J].现代制造技术与装备，2010，11(12)：3241-3243，3244.
[2] 李东君.曲面数控加工中的误差分析与优化[J].湖北职业技术学院学报，2010，13(11)：198-1101，1102.
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