基于ESPRIT的雙通道雙主軸車銑復合加工中心的加工技術分析

曹 振 范利娟

（南京模擬技術研究所，江蘇南京210016）

0 引言

在現代工業化背景下，隨著計算機輔助設計軟件的迅猛發展，零件設計的形狀特性越來越復雜化、多樣化。具備銑削、車削和鉆孔功能的車銑復合機床得到了快速發展，其具備傳統加工設備所不具備的加工能力，能實現復雜零件的加工和經濟性要求。采用車銑復合加工技術對零件進行加工，可以實現一次裝夾完成全部或大部分加工工序，從而大大縮短了產品制造工藝鏈，避免了由于定位基準多次轉化而導致的誤差積累，提高了產品的加工精度。

1 EMCO HT65 PowerMill九軸五聯動非正交車銑復合加工中心運動學結構分析

本文以奧地利EMCO Hyperturn 65 PowerMill九軸五聯動非正交車銑復合加工中心作為應用對象。

要合理應用好機床，選擇適合機床加工的零件，發揮機床的最大效率，必須熟練掌握機床的運動結構及操作系統。EMCO HT65 PowerMill為雙主軸雙刀塔車銑復合加工中心，機床整體采用對列雙主軸的布局形式，具有相對排列的兩個主軸以及帶B軸功能的上刀塔和帶有動力系統的下刀塔，是具備兩套刀架系統的雙通道復合加工中心。上部刀具系統配備了電機驅動的銑削主軸，在溜板系統中集成了Y軸和B軸，B軸主軸采用HSK63刀柄自動裝夾系統，銑削主軸最高轉速達12 000 r/min，B軸為無級擺動，轉角范圍為-20°～200°。上刀塔配備了20個工位的自動換刀刀具管理系統，可實現復雜零件的五軸聯動加工；下刀塔配備了12個工位的標準VDI30刀塔；下刀塔與上刀塔為非正交模式。為適應九軸的控制功能，機床采用西門子Sinumerik 840Dsl數控控制系統。機床特有的雙通道控制系統可實現雙主軸、雙刀架五軸聯動加工，能夠完成對一些形狀復雜精密零件的車削、鉆削、銑削甚至磨削復合加工，同時可以控制兩套主軸及上下刀架串行或并行順序的加工。主副軸具有分度插補的C軸控制功能，并且左右主軸具有回轉同步（轉速同步）功能，可實現不停機情況下零件左右主軸對接傳遞，實現一次裝夾全方位加工的車銑復合加工。

2 ESPRIT車銑復合CAM專用軟件

車銑復合加工中心在數控加工領域有著突出的應用優勢，能帶來巨大的經濟效益，但機床控制系統的復雜程度很高，也使加工的程序設計更加困難和復雜。因此對于車銑復合加工來說，選擇合適的CAM系統是成功應用機床的關鍵因素，也是獲得高效生產率的決定性因素。現有數控編程系統均是針對單通道機床的編程，無法滿足復雜機床對多工藝多通道的數控編程需求。車銑復合加工技術也完全不同于普通意義上的車削與銑削功能的簡單疊加，而是需要對多工藝之間的加工策略進行銜接，對上下刀塔雙通道之間的加工運動進行協調，并進行串行與并行加工順序的安排。經過市場調研，ESPRIT是由美國DP Technology公司推出的一款針對高端車銑復合數控機床應用的CAM軟件，并與奧地利EMCO機床廠家進行深度的VIP合作。它能夠在同一操作界面進行3～5軸銑削、車削、車銑復合的編程，ESPRIT的全功能包括2～5軸銑削、2～22軸車削、2～5軸線切割、多任務車銑復合加工以及帶B軸的機床編程，基于其豐富的加工類型和靈活的操作界面，選用ESPRIT系統能充分發揮機床的功能。

3 零件工藝分析

熟悉和掌握了EMCO HT65 PowerMill車銑復合加工中心，選擇某型號渦噴發動機的軸向擴壓器作為應用加工對象。軸向擴壓器是發動機的關鍵部件之一，用以回收從葉輪出來的氣體動能使之轉換為壓能，它的葉片特征和車削旋轉類特征的加工精度直接影響發動機壓氣機的性能優劣，屬于難加工復雜類零件。

3.1 軸向擴壓器加工內容

某渦噴發動機中的軸向擴壓器，為批量生產。工件材料為ZL114A，毛坯為鑄件，零件直徑281 mm，高度92.4 mm，加工內容如下：（1）軸向擴壓器正面：多個平面、斜面組成的成型面及內孔和止口槽、3×φ3孔。（2）軸向擴壓器反面：多個平面、圓弧斜面槽及φ80、φ75、內徑φ68孔、2×φ10深18 mm孔、2×φ8深72 mm孔、2×R6深7 mm槽、6×M10×1.5-4H螺紋。（3）軸向擴壓器圓周：55片均布的葉片（間隔度數為6.545°）、葉片上2×φ100+0.021深24 mm孔、2×φ6深98 mm孔。

3.2 加工工藝方案

現對常規加工工藝和采用車銑復合加工中心的工藝分析對比如下：

3.2.1 一般數控設備加工工藝分析

此擴壓器此前采用一般數控設備進行加工，需要設備較多，且工序復雜。具體如下：需要兩臺數控車床車削正反兩面的車削特征成型，一臺五軸數控加工中心加工圓周上的葉片及葉片上的2×φ10、2×φ6孔成型，兩臺三軸數控加工中心加工正反兩面側的孔特征、槽特征成型，而且需制作每道工序的配套工裝，導致整個產品生產工藝鏈很長，影響批量生產效率，且裝夾轉換次數多，產品的形位公差和尺寸精度得不到有效保證。

3.2.2 采用EMCO HT65 PowerMill車銑復合加工中心加工工藝分析

第一步，用EMCO HT65 PowerMill車銑復合加工中心的右側副主軸液壓卡爪夾持軸向擴壓器反面φ108外圓處，用機床第2通道下刀塔車削軸向擴壓器正面內外輪廓特征成型，并利用下刀塔動力系統把正面3×φ3孔一次裝夾加工完成。

第二步，制作芯棒，軸向擴壓器與芯棒并緊，EMCO HT65 PowerMill車銑復合加工中心左側主軸液壓卡爪夾持芯棒，用機床的第2通道下刀塔把軸向擴壓器反面的內外輪廓特征全部車削成型，利用機床的第1通道上刀塔銑削主軸進行銑削、鉆孔、攻絲等操作，一次裝夾把軸向擴壓器圓周上的葉片和葉片上的孔及反面端面上的所有孔特征、槽特征完全銑削一次加工到位。

4 用ESPRIT車銑復合CAM專用軟件設計加工程序

數控編程技術是數控加工準備階段的重要內容之一，是直接影響加工零件精度與加工效率的重要因素，軟件應用是數控加工技術中至關重要的一步。

第一步，創建零件三維圖、毛坯圖、工裝夾具圖，并設置好機床裝夾參數。第二步，建立車削加工坐標系。第三步，建立車削加工特征、型腔加工特征、自由曲面加工特征、孔特征。第四步，建立加工所需要的刀具，根據所加工部位設置相應的刀具參數，并安裝在相應刀塔的刀位上。第五步，根據零件加工內容選擇合適的加工策略設計加工路徑，并設置合理的加工參數、五軸聯動等高粗加工葉片刀路、葉片五軸swarf側刃精加工刀路。第六步，根據加工順序，規劃設計上下刀塔第1通道、第2通道的加工順序的同步協調和串并行處理。第七步，調用機床，設置仿真切削參數，對設計的刀路進行仿真檢驗。第八步，選用相應機床的后處理輸出加工程序。

5 結語

通過對軸向擴壓器零件的加工應用，傳統的工序分散的加工設備將會越來越多地被工序集中的車銑復合加工中心所取代，結合先進的CAM數控加工技術，車銑復合加工技術的應用會越來越廣泛，并朝著更高的精度、更高的效率、更大的工藝范圍方向發展。

[1]HT65 PowerMill_Sin840Dsl_CN_B_2014-12[Z].

[2]EAPRIT CAM軟件初級和高級培訓手冊[Z].

[3]車銑復合加工中心國內外發展現狀[Z].