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知識。此外，還介紹用于維持精度、防止產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，需在空間內設定多個交點和曲率，并用高次方程式對交點進行補充來表現。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成齒面的結構。
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，因此不僅能夠實現加工成本減少、加工質量和精度提升、加工時間縮短、工序切換次數減少等，還具有可實施高自由度切削的優點。
下面將說明三軸加工機和五軸加工機的區別、五軸聯動加工機的結構與加工原理、引進和運用五軸聯動加工機時的注意點。

?三軸加工機和五軸加工機的區別

傳統三軸加工機的內部區域由固定工件的工作臺和主軸構成。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。
而五軸加工機的結構是X軸、Y軸、Z軸加上2根旋轉傾斜軸。旋轉傾斜軸分別為A軸和C軸，當安裝了工件的工作臺旋轉時，A軸以X軸為中心轉動工件，C軸以Z軸為中心轉動工件。通過這種結構，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，無需使用特殊工具，即可加工自由曲面等復雜形狀?？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生變形、加工精度下降等問題。

?何謂五軸聯動加工機

五軸聯動加工機同時驅動各個主軸和旋轉軸進行加工。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行切削、改變角度后執行切削等。在主軸動作期間，A軸和C軸停止旋轉。這種方式稱為“五軸分度加工"。
而五軸聯動加工機在加工時同時驅動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。葉輪葉片、整體葉盤、往復式發動機的吸氣和排氣端口等必須用五軸聯動加工機進行加工。

?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，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，機構復雜、可動部分多，導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程序開發和各軸設定等工作會耗費大量工時。

■加工變形的類型和應對措施

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，也可能發生翹曲、應變等變形，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計、或在事先考慮變形的基礎上加工等措施。下面將介紹加工時發生變形的原因。

?夾持力、加工壓力等導致的變形與應對措施

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，由此防止發生變形。

·加工壓力

加工壓力導致的變形是因為切削工具加工工件時的力而發生。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。若因為規格或功能的關系無法改變，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）導致的變形與應對措施

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熱性低的材質時，切削工具和工件之間產生的熱量無處散發，會積累大量的切削熱量。產生切削熱量時，工件會膨脹。工件膨脹造成切入深度超過設定，無法完成設計的尺寸。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。

?殘留應力導致的變形與應對措施

從工件除去夾持力、加工壓力等外力之后，留在工件內部的應力稱為殘留應力。物體內側到外側的力和外側到內側的力原本保持平衡。但是，切削時的加工壓力和切削熱量破壞平衡后，會導致翹曲和應變。尤其是在較薄物體的加工中容易發生翹曲，而在硬材質的加工中容易發生翹曲和應變。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生偏差等各種課題。此外，當發生加工不良時，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數據與測量目標物的位置對齊十分困難，需要輸入設計值和公差等。

·       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。這會造成測量值發生偏差，難以實現定量測量。
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，可發現某個共同點。那就是，對于立體且形狀復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，測量結果不會產生偏差，可簡單、定量地實施測量。具體優點如下。

?優點1：通過顏色顯示與3D-CAD數據的差分

可將設計的3D-CAD數據和獲得的數據進行比對，并用顏色顯示差分，從而針對工件設計實現完成效果的可視化。如此，產品形狀分析所耗費的工時便能得到大幅削減。
根據可沿不同方向旋轉的3D數據，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。可從縱/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，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數據的差異

G：R測量

H：寬度測量

?優點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，實現了以面為單位捕捉目標物整體的3D形狀。可顯示目標物整體以及測量各個部位的輪廓，所以能夠將形狀不良的部位及其詳細數值等可視化，便于測量人員掌握情況。
而且，采用“VL系列"，還能在比較3D-CAD數據和已取得數據的狀態下測量截面，不必切斷工件。根據獲得的3D數據，用顏色實現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，可及早發現加工變形等缺陷，并采取相應措施。

■總結：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?？蓪⒁荒苛巳坏臄祿M行共享，不僅可判斷OK/NG品，還能順利實施加工變形的應對措施。

從自由曲面切削加工件的測量作業到不良分析及不良應對措施，“VL系列"飛躍性地提升了切削工序質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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