狹長異型鋁型材雙龍門協同數控加工工藝研究*

胡穎曉

(中航工業成飛數控廠，四川 成都 610091)

狹長異型鋁型材雙龍門協同數控加工工藝研究*

胡穎曉

(中航工業成飛數控廠，四川 成都 610091)

針對某高速磁懸浮列車車身上大量應用的15～25 m長整體異型鋁型材類零件的加工難點，提出一種雙龍門協同數控加工的工藝方案，從裝夾、振動控制、精度控制、測量等方面提出解決方案，并給出工程應用實例。

異型鋁型材；雙龍門協同；振動控制；精度控制；測量

近年來，隨著制造業的發展，型材類零件在列車制造、建筑、航空、航天等領域應用越來越廣泛。在某高速磁懸浮列車項目中，車身構架采用大量進口狹長異型型材類零件。傳統的型材加工方法一般采用鉗工劃線手工加工的方式；而針對高精度要求的狹長異型型材，傳統加工方法已無法滿足要求，需要尋求一種精度更高、效率更高的加工方式。基于此，本文提出一種狹長異型型材的數控加工解決方案。

1 狹長異型型材數控加工難點分析

1.1 型材的特點

型材是具有一定強度和韌性的材料(如塑料、鋁、玻璃纖維等)通過軋制、擠出、鑄造等工藝，制成的具有一定截面形狀和尺寸的條形材料。型材按長度可分為一般型材和狹長型材；按截面形狀，可以分為簡單型材和異型型材。簡單型材主要包括角型材、槽型材、工字型材等截面形狀簡單的型材，如圖1a～c；異型型材主要是一些截面形狀相對復雜的專用型材，如圖1d～f。

1.2 狹長異型型材的加工難點

與傳統板材數控加工相比較，狹長異型型材數控加工具有以下難點：

(1)異型型材在航空、航天、磁懸浮領域的應用還處于探索階段，且該狹長異型截面型材屬進口型材，在國內首次加工，對比傳統板材和簡單型材數控加工工藝，狹長異型型材數控加工工藝方案不成熟。

(2)狹長異型型材類工件寬度一般在500 mm以下，長度最長達25 m，且均為空心結構，截面形狀復雜，因此在設備選用、裝夾方式等方面，其加工直線度、平面度等形位精度能否達到工藝要求，成為異型型材類數控加工的先決條件之一。

(3)型材類工件自身結構特殊，均為薄壁結構，在數控加工過程中容易出現振動現象，如何控制數控加工過程中的振動，保證加工精度，是型材數控加工中必須考慮的問題。

(4)狹長異型型材長度達到20 m以上，數控加工完成后如何對其進行測量，測量機工作臺長度不夠，千分尺、卡尺等測量工具測量長度不夠，卷尺、皮尺測量精度得不到保證，必須考慮一種合理可行的測量方法。

2 狹長異型型材數控加工整體方案

2.1 狹長異型型材數控加工工藝流程

針對狹長異型型材的特點及數控加工難點，本文提出一種狹長異型型材數控加工工藝流程，詳細闡述了加工工藝方案、數控加工及檢測測量中的關鍵技術，如圖2所示。

2.2 機床選擇

型材的長度及加工特征決定機床的選擇。本文所研究的對象為狹長異型型材，長度最長達25 m，加工特征為三坐標槽口及鉆孔，根據該型材長度及加工特點，本文選擇三坐標雙龍門立式數控銑床，該立式銑床工作臺面長度約28 m，采用雙龍門協同加工的工藝方案，如圖3所示。

2.3 工裝選擇

型材的截面形狀決定工裝的選擇。型材數控加工工裝選擇要求滿足定位準確、裝夾可靠的先決條件。因此應該讓型材底面盡可能多地與工裝接觸，以此來保證工件裝夾的可靠性與加工過程中的穩定性。按照此原則，如圖4所示，根據型材截面形狀，選用專用墊塊。

2.4 雙龍門機床基準協調

雙龍門立式數控銑床兩臺龍門同時加工同一型材，如何協調雙龍門找正原點及加工過程中的雙龍門協同問題成為本文必須解決的問題。

本文采用如圖5所示的工藝方案，首先在機床工作臺上找一個合適的位置，放置一個標準塊，并在上面制出一個φ16H9 mm工藝孔，機床兩個龍門都以該基準孔為基準各自沿著X方向偏移距離L1和L2，保證L1+L2等于工件總長，分別建立坐標系O1X1Y1，O2X2Y2，這樣雙龍門就可以協調加工一個工件。

3 狹長異型型材數控加工關鍵技術

3.1 裝夾技術

狹長異型型材屬于細長類工件，長寬比較大，無工藝凸臺，該類工件在數控加工中的抗振性，很大程度取決于型材工件在機床上的裝夾定位方法。因此，合理的裝夾方案將大大提高工件工藝系統的剛性。本文采用自制墊塊墊起型材，壓板分段壓緊型材的裝夾技術。如圖6所示。采用專用墊塊將型材墊起，并在型材側面用頂塊頂住，型材頂部用壓板將型材壓緊，壓板位置避開型材加工特征區域，在加工區域兩端都壓上壓板以保證加工過程的穩定性；同時，為保證工件不壓變形，壓板區域應墊上專用墊塊。

在該類狹長異型型材的裝夾過程中，需保證型材工件的裝夾直線度達到制造公差的要求，型材自然狀態的直線度是無法滿足制造公差要求，需借助外力來調節型材的直線度。本文設計了如圖7所示簡易裝置用于調節工件直線度。在裝夾過程中，固定圖示專用墊塊與頂塊用于型材定位，通過擰動圖示螺母，可以使型材發生變形，使型材側面與定位面靠緊，保證型材工件直線度要求。

3.2 振動控制技術

切削過程都伴隨著振動現象，在高速切削加工工件時，由于工件和刀具的彈性變形，在動態切削力的作用下，切削自身引起的切削力周期性變化，使工藝系統產生振動，一旦切削停止，振動會立即消失，這種振動稱為“自激振動”。振動是一種破壞正常切削過程的極其有害的現象，是直接影響加工表面質量和生產率的主要因素。切削過程中，當振動發生時，工件表面質量惡化，表面粗糙度值增大，產生明顯的表面振痕；振動嚴重時，甚至會使刀具產生崩刃斷刀現象，使加工過程無法進行下去。與此同時，切削過程中的振動將產生很大的噪聲，危害工人的身心健康。

由于型材類工件自身結構的特殊性，數控加工時刀具切削對象為薄壁結構，在加工過程中容易出現振動現象。本文采用以下幾種技術控制型材數控加工中的振動。

(1)合理選擇刀具

在數控加工過程中，刀具應具有足夠的剛性，且應具有較高的彎曲與扭轉剛度、高的阻尼系數和彈性模量。特別針對該類型工件數控加工，加工對象為薄壁結構，在加工過程中保證刀具工作長度的前提下，選擇長度直徑比較小的刀具，例如直徑為20 mm，工作長度為60 mm的刀具；同時，為了降低切削過程中刀具崩刃的概率，選用底角為R3的刀具。

(2)合理選擇切削參數

筆者通過切削對比實驗，得到如表1所示的統計結果。根據實驗統計結果，采用轉速s=9 000 r/min進給速度f=1 500 mm/min、切深ap=1 mm的切削參數可有效控制振動。

表1 切削參數實驗情況統計表

轉速s/(r/min)進給f/(mm/min)切深ap/mm切削效果加工效率900030003噪音大,振動大高600015003噪音較大,振動較大較高900015001噪音較小,比較穩定一般900015000.5噪音較小,比較穩定低

(3)合理規劃走刀軌跡

由于型材數控加工為薄壁加工，合理的刀位軌跡，可有效減小工藝系統的振動，降低切削噪音。通過切削對比實驗，采用圖8b所示的走刀方式，切削過程中振動較大；如采用圖8a所示的走刀方式，刀具中心與加工緣條中心不在一條直線上，采用順銑加工，可有效減小切削過程中的切削力，有效控制切削過程中的振動，降低切削噪音。

通過合理的裝夾技術及以上幾種振動控制技術，工件數控加工過程中切削穩定。

3.3 基于加工特征的局部對刀技術

部分異型型材長度達到25 m，直線度裝夾誤差就達到15 mm左右，而加工特征的設計要求位置公差在長度方向上為±2 mm，在寬度方向上僅為±0.5 mm，若采用傳統的加工找正方法，一次找正，完成多個特征一次數控加工，受裝夾直線度影響，在型材寬度方向的精度無法滿足要求。因此，本文采用基于加工特征的局部找正技術來保證型材寬度方向的加工精度。

在加工過程中，針對每個加工特征，單獨找正，各加工特征分別對應一段程序。例如圖9所示，需要在該型材上加工6個直徑為15 mm的孔，間隔大約5 m左右，Y向位置尺寸“20”公差為±0.5 mm。該型材長約25 m，裝夾直線度誤差15 mm左右，若采用一次對刀找正同時加工6個孔，因為裝夾直線度的影響，將無法保證20±0.5 mm。因此采用六個孔單獨找正加工，加工每個孔在孔特征位置附近找正，減小誤差，保證加工精度。

3.4 機床在線測量技術

型材數控加工完成后，需對加工部位進行測量。由于該類型材長度達到20 m以上，無法在測量機上進行測量，如果采用傳統測量工具如皮尺、卷尺等工具，測量誤差較大，測量精度達不到要求。因此，為達到零件設計的測量精度，本文采用測量工具測量與機床在線測量相結合的測量方法。該方法介紹如下：

(1)孔、槽、缺口等數控加工特征的尺寸由測量工具進行測量，孔直徑用三爪卡尺進行測量，孔、槽、缺口的位置尺寸在型材寬度和高度方向上的尺寸由游標卡尺和深度尺進行測量。

(2)工件總長度、各加工特征在型材長度方向上的位置尺寸由機床進行測量。測量原理如圖10所示。

將機床上的刀具更換為標準的φ16 mm銷棒，機床兩頭找正同一基準孔，機床兩頭銷棒分別接觸工件端面，工件總長度：

L=x1+x2-D；

缺口寬度：d=x3-D。

4 工程應用實例

在成都飛機公司的高速磁懸浮列車項目中，車身的制造裝配大量采用了狹長異型截面型材。數控加工廠承擔了大部分長型材的數控加工，該類異型型材一般長度在10～25 m之間。下面舉例其中的一項工件。

工件概況：型材毛坯長約25 m左右，截面如圖1d所示。

加工機床：三坐標雙龍門立式銑床。

加工概況：該機床工作臺面長度28 m左右，采用工件毛坯長25 m，采用雙龍門協同加工工藝方案，通過采用前述的裝夾技術、振動控制技術、精度控制技術、在線測量技術等關鍵技術，成功完成該工件的數控加工，加工過程穩定，工件質量可靠。

同時，本文所提出的數控加工工藝方案和關鍵技術在該項目中成功推廣應用，采用本文的加工工藝共計完成20余項狹長異型型材的數控加工，為該類型工件的數控加工積累了寶貴的經驗。

5 結語

本文通過分析狹長異型型材數控加工的難點，提出異型型材雙龍門協同數控加工工藝方案，研究了數控加工過程中的裝夾技術、振動控制技術、精度控制技術、在線測量技術等關鍵技術，使異型型材在工程應用中實現了數控加工。但目前狹長異型型材數控加工還存在一定的問題，型材的裝夾工作量占整個數控加工過程工作量的50%以上，同時型材薄壁切削過程中的振動依然存在。因此如何通過改善工裝與夾具，提高異型型材裝夾效率與可靠性；如何定制專用刀具，使用更先進的編程方法，減小型材切削過程中的振動，將成為今后異型型材數控加工的研究重點。

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Study of the NC machining process of aluminum profiles employing
double gantry machine cooperation

HU Yingxiao

(CNC Factory, AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Chengdu 610091, CHN)

In this paper, the NC machining process employing double gantry machine cooperation, lessening the difficulty in producing the parts of the high-speed maglev train made of aluminum profiles varying in length from fifteen to twenty-fifth meters, is concerned from the perspectives of clamping, vibration control, precision control and measurement etc. Simultaneously, the specific examples of practical application will be given.

aluminum profiles; double gantry machine cooperation; vibration control; precision control; measurement

V262.3+3

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.017

胡穎曉，男，1983年出生，碩士，工程師，研究方向為數控加工工藝技術。

(編輯 孫德茂)

2016-05-10)

160922

*國家重大專項：國產五軸聯動數控機床在航空結構生產線及生產單元應用示范基地(2015ZX04001002)