以高精度測量自由曲面的切削加工件的方法

以葉輪、旋槳等為代表的、擁有自由曲面的部件，通過需要高水平機械控制的多軸加工中心進行加工。這些部件大多很薄，容易發(fā)生加工變形，變形會直接影響由其組裝而成的機器的性能，因此嚴格的尺寸測量是需要的。
下面將說明自由曲面、自由曲面加工中使用的加工機、加工變形的類型等基礎(chǔ)知識。此外，還介紹用于維持精度、防止產(chǎn)生和流出不良品的檢測和分析，以及接觸式測量方法存在的課題及其解決方法。

■何謂自由曲面加工

自由曲面是指無法用球體、立方體、圓柱、圓筒等的簡單公式表示的曲面。對于自由曲面，需在空間內(nèi)設(shè)定多個交點和曲率，并用高次方程式對交點進行補充來表現(xiàn)。擁有自由曲面的部件有用于泵和增壓器等的葉輪以及飛機的旋槳。此外，齒輪中的斜齒輪和螺旋傘齒輪也有由自由曲面構(gòu)成齒面的結(jié)構(gòu)。
擁有自由曲面的部件在加工時需要多維控制，因此NC程序十分復(fù)雜。此外，使用通用的加工中心時加工精度不足，而且還要求精密控制，所以常使用高精度的五軸加工機。

■何謂五軸加工機

五軸加工機是一種加工中心，左右方向、前后方向、上下方向共有3根直線軸，再加上2根旋轉(zhuǎn)傾斜軸。與三軸加工機相比，無需特殊工具和專屬夾具，因此不僅能夠?qū)崿F(xiàn)加工成本減少、加工質(zhì)量和精度提升、加工時間縮短、工序切換次數(shù)減少等，還具有可實施高自由度切削的優(yōu)點。
下面將說明三軸加工機和五軸加工機的區(qū)別、五軸聯(lián)動加工機的結(jié)構(gòu)與加工原理、引進和運用五軸聯(lián)動加工機時的注意點。

?三軸加工機和五軸加工機的區(qū)別

傳統(tǒng)三軸加工機的內(nèi)部區(qū)域由固定工件的工作臺和主軸構(gòu)成。主軸相對于工件沿左右（X軸）、前后（Y軸）、上下（Z軸）的方向移動并加工工件。
而五軸加工機的結(jié)構(gòu)是X軸、Y軸、Z軸加上2根旋轉(zhuǎn)傾斜軸。旋轉(zhuǎn)傾斜軸分別為A軸和C軸，當安裝了工件的工作臺旋轉(zhuǎn)時，A軸以X軸為中心轉(zhuǎn)動工件，C軸以Z軸為中心轉(zhuǎn)動工件。通過這種結(jié)構(gòu)，可以在不取下安裝于工作臺的工件的情況下，加工除底面以外的面。
如此，五軸加工機便削減了更改工件安裝角度的作業(yè)，無需使用特殊工具，即可加工自由曲面等復(fù)雜形狀?？砂葱枰苿庸ぜ?，大幅減少工具伸出量，可避免立銑刀等工具因加工壓力而發(fā)生變形、加工精度下降等問題。

?何謂五軸聯(lián)動加工機

五軸聯(lián)動加工機同時驅(qū)動各個主軸和旋轉(zhuǎn)軸進行加工。普通五軸加工機的加工流程有將A軸或C軸傾斜至指定角度執(zhí)行切削、改變角度后執(zhí)行切削等。在主軸動作期間，A軸和C軸停止旋轉(zhuǎn)。這種方式稱為“五軸分度加工”。
而五軸聯(lián)動加工機在加工時同時驅(qū)動5根軸，因此可流暢地加工自由曲面，完成五軸加工機無法完成的任務(wù)。葉輪葉片、整體葉盤、往復(fù)式發(fā)動機的吸氣和排氣端口等必須用五軸聯(lián)動加工機進行加工。

?五軸加工機的注意點

與三軸加工機相比，五軸加工機具備諸多優(yōu)點，不過在引進和運用時需注意以下幾點。

引進成本：

由于其性能高、功能多，在價格上比三軸加工機更昂貴。此外，還必須配備3D CAD/CAM，NC程序也相當繁復(fù)，因此這些引進成本也是其缺點之一。

加工精度：

即使軸的動作精度與三軸加工機相同，在多軸的情況下，加工精度會有下降。此外，機構(gòu)復(fù)雜、可動部分多，導(dǎo)致裝置各部分無法獲得足夠的剛性，可能會降低加工精度。

工序切換工時：

只要設(shè)定過1次，五軸加工機即可高速、高精度地實施加工，但如果要加工新的工件，準備所需的NC程序開發(fā)和各軸設(shè)定等工作會耗費大量工時。

■加工變形的類型和應(yīng)對措施

對于較薄或細微的工件來說，即使切削加工機按照指定精度正確完成加工，也可能發(fā)生翹曲、應(yīng)變等變形，引起加工誤差。在這種情況下，必須采取更改為不易變形的設(shè)計、或在事先考慮變形的基礎(chǔ)上加工等措施。下面將介紹加工時發(fā)生變形的原因。

?夾持力、加工壓力等導(dǎo)致的變形與應(yīng)對措施

加工時固定工件的力稱為“夾持力”，切削等加工向工件施加的力稱為“加工壓力”，這些都可能是造成變形的原因。

·夾持力

夾持力導(dǎo)致的變形是在固定工件的緊固力大于固定工件部分的強度時發(fā)生。
為防止這種情況，較為有效的方法是更改固定工件的位置或方向。若無法改變，可使用固定輔助部件固定容易變形的部位，由此防止發(fā)生變形。

·加工壓力

加工壓力導(dǎo)致的變形是因為切削工具加工工件時的力而發(fā)生。為防止這種情況，增加變形部位的厚度、減少切削量、降低材料硬度等改變工件形狀的措施較為有效。若因為規(guī)格或功能的關(guān)系無法改變，可采用被稱為“除翹曲”的方法，即增加額外厚度實施粗加工再實施精加工的方法，用以防止變形。

?切削熱量（加工熱量）導(dǎo)致的變形與應(yīng)對措施

切削熱量是在切削時切削工具和工件加工面摩擦而產(chǎn)生的熱量，一般會達到600°C至1,000°C。特別是當工件為不銹鋼等導(dǎo)熱性低的材質(zhì)時，切削工具和工件之間產(chǎn)生的熱量無處散發(fā)，會積累大量的切削熱量。產(chǎn)生切削熱量時，工件會膨脹。工件膨脹造成切入深度超過設(shè)定，無法完成設(shè)計的尺寸。為防止這種情況，較為有效的措施是更換切削油、結(jié)合使用放電加工等變形較少的加工、更改工件材料等。

?殘留應(yīng)力導(dǎo)致的變形與應(yīng)對措施

從工件除去夾持力、加工壓力等外力之后，留在工件內(nèi)部的應(yīng)力稱為殘留應(yīng)力。物體內(nèi)側(cè)到外側(cè)的力和外側(cè)到內(nèi)側(cè)的力原本保持平衡。但是，切削時的加工壓力和切削熱量破壞平衡后，會導(dǎo)致翹曲和應(yīng)變。尤其是在較薄物體的加工中容易發(fā)生翹曲，而在硬材質(zhì)的加工中容易發(fā)生翹曲和應(yīng)變。此外，即使在用夾鉗固定期間形狀沒有異常，在取下夾鉗后也可能會發(fā)生變形。為防止這種情況，可采用名為“退火”的處理。在金屬切削加工中，需在加工前進行退火處理。通過這種方法，可將加工材料變軟使其容易加工，將硬度變得均勻以防止加工不均，以及減少工件硬度偏差。

■自由曲面測量的課題

確認以葉輪葉片、螺旋傘齒輪的齒面為代表的自由曲面的尺寸和形狀是否符合預(yù)期是非常重要的。尤其是截面形狀，對強度和性能有很大影響，因此要求高精度、定量的3D形狀測量。
使用三坐標測量儀、游標卡尺等測量，但是存在用三坐標測量儀準確完成測量的難度很高、用游標卡尺測量會因為不同的測量人員而產(chǎn)生偏差等各種課題。此外，當發(fā)生加工不良時，查明和解決問題需要花費大量時間。

?使用三坐標測量儀進行測量的課題

一般來說，如要使用三坐標測量儀測量自由曲面，必須使探頭前端的接觸件接觸目標物上想要測量的部位。需要將接觸件準確地接觸指定的測量點。
此外，若測量范圍較大，可通過增加測量點來取得更多位置的測量值，從而提升測量精度。

但是在測量自由曲面時會存在以下課題。

·       為測量葉輪葉片的厚度和最小厚度以及齒輪的齒面形狀，必須測量很多點，所以需要花費大量時間，而且難以掌握整體的詳細形狀。

·       CAD比較相當費時費力，例如，CAD數(shù)據(jù)與測量目標物的位置對齊十分困難，需要輸入設(shè)計值和公差等。

·       采用仿形測量方式測量輪廓等，難以掌握整體形狀。

?使用齒厚游標卡尺、齒厚千分尺進行測量的課題

使用齒厚游標卡尺、齒厚千分尺等手動工具，通過名為“滾柱法”的測量方法測量齒厚。
但是，使用這些手動工具時，手按住測量位置的力（測量力）、測量位置偏差等各種度的把握因人而異。這會造成測量值發(fā)生偏差，難以實現(xiàn)定量測量。
此外，如需測量截面，必須切斷樣品，而且以點為單位的測量難以掌握截面形狀。

■自由曲面的測量課題解決方法

如果重新審視使用的測量儀所存在的課題，可發(fā)現(xiàn)某個共同點。那就是，對于立體且形狀復(fù)雜的目標物和測量位置，總是在以點或線接觸的同時進行測量。
為解決此類測量課題，基恩士開發(fā)了高精度三維掃描測量儀“VL系列”。以非接觸的方式，以面為單位來準確捕捉目標物的3D形狀。快速完成載物臺上目標物的3D掃描，高精度地測量3D形狀。因此，測量結(jié)果不會產(chǎn)生偏差，可簡單、定量地實施測量。具體優(yōu)點如下。

?優(yōu)點1：通過顏色顯示與3D-CAD數(shù)據(jù)的差分

可將設(shè)計的3D-CAD數(shù)據(jù)和獲得的數(shù)據(jù)進行比對，并用顏色顯示差分，從而針對工件設(shè)計實現(xiàn)完成效果的可視化。如此，產(chǎn)品形狀分析所耗費的工時便能得到大幅削減。
根據(jù)可沿不同方向旋轉(zhuǎn)的3D數(shù)據(jù)，通過指定的方法對于葉輪葉片的間隔或R形狀等各個位置進行測量?？蓮目v/橫方向測量截面，無需破壞工件。
從掌握整體形狀到測量指定位置的尺寸，均可通過簡單的點擊操作來實現(xiàn)，使測量定量化，不會被測量人員的技能水平所左右。

通過指定的方法測量各個位置

A：平面度/幾何公差測量　高點

B：平面度/幾何公差測量　低點

C：仿形測量

D：高度測量

E：角度測量

F：與CAD數(shù)據(jù)的差異

G：R測量

H：寬度測量

?優(yōu)點2：輕松測量滾柱尺寸。無需切斷，截面一目了然

使用齒厚游標卡尺和齒厚千分尺測量齒輪的滾柱尺寸時，因為各測量人員的測量點不同、量爪或測桿難以到達測量點等，在可靠性和穩(wěn)定性方面存在問題。此外，因為是以點為單位測量，所以要測量3D形狀尤為困難。
采用“VL系列”，只需將目標物放置到載物臺上進行掃描即可。采用非接觸方式以及無需定位，實現(xiàn)了以面為單位捕捉目標物整體的3D形狀?？娠@示目標物整體以及測量各個部位的輪廓，所以能夠?qū)⑿螤畈涣嫉牟课患捌湓敿殧?shù)值等可視化，便于測量人員掌握情況。
而且，采用“VL系列”，還能在比較3D-CAD數(shù)據(jù)和已取得數(shù)據(jù)的狀態(tài)下測量截面，不必切斷工件。根據(jù)獲得的3D數(shù)據(jù)，用顏色實現(xiàn)滾柱尺寸和齒形狀的可視化?？刹捎梅墙佑|方式輕松完成截面測量。此外，通過觀察切斷部位輪廓的偏移，可及早發(fā)現(xiàn)加工變形等缺陷，并采取相應(yīng)措施。

■總結(jié)：對自由曲面的切削加工件高精度測量進行飛躍性改善和高效化

采用“VL系列”，可通過高速3D掃描，以非接觸的方式快速測量切削加工件的自由曲面。

·       無需定位。將目標物放置到載物臺上，通過只需一鍵的簡單操作，即可完成測量，因此不會發(fā)生人為原因的測量值偏差。

·       因為是以面為單位來捕捉，所以可掌握目標物整體上有缺陷的位置，并對各個位置進行輪廓測量?？稍u估難以測量的內(nèi)容，如分析螺旋傘齒輪的齒厚、葉輪葉片的厚度和間隔等。

·       按照指定朝向測量截面。可指定圓的直徑，創(chuàng)建與凹槽相切的圓要素。此外，可在不破壞工件的情況下，在希望的位置上從縱/橫方向測量截面。

·       可用彩色圖顯示3D形狀。可將一目了然的數(shù)據(jù)進行共享，不僅可判斷OK/NG品，還能順利實施加工變形的應(yīng)對措施。

從自由曲面切削加工件的測量作業(yè)到不良分析及不良應(yīng)對措施，“VL系列”飛躍性地提升了切削工序質(zhì)量管理必要工作的效率。

基恩士 高精度三維掃描測量儀 VL-800系列

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