錐體內(nèi)腔多軸數(shù)控銑削加工工藝技術(shù)

劉 宏

LIU Hong

（中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

0 引言

隨著武器裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，武器產(chǎn)品及大型試驗(yàn)裝置加工的發(fā)展趨勢是零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，材料更加先進(jìn)，對交付時間、價格和質(zhì)量的要求更加苛刻。為了滿足武器產(chǎn)品加工的快捷性、高柔性、高生產(chǎn)率以及高質(zhì)量要求，常常采用多軸數(shù)控機(jī)床加工實(shí)現(xiàn)武器產(chǎn)品快速研發(fā)。

錐體是我所武器產(chǎn)品某項(xiàng)目中的一個重要部件，內(nèi)腔為不規(guī)則型腔，在結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、加工方式以及現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，選擇多軸數(shù)控臥式鏜銑加工中心進(jìn)行內(nèi)腔型面的銑削。多軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動關(guān)系復(fù)雜，如何在多軸數(shù)控機(jī)床上實(shí)現(xiàn)錐體內(nèi)腔的銑削，涉及工藝實(shí)現(xiàn)方案、銑削路徑規(guī)劃、數(shù)控程序編制以及程序安全性校核等方面的關(guān)鍵技術(shù)，文章結(jié)合這幾方面技術(shù)開展錐體內(nèi)腔多軸數(shù)控銑削加工工藝技術(shù)研究。

1 工件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡述

錐體部件為壁厚2.5mm、長約1300mm錐筒型薄壁殼體結(jié)構(gòu)件，其內(nèi)腔深長，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要銑削加工部分的結(jié)構(gòu)要素包括加強(qiáng)筋、錐面環(huán)形筋、錐面、圓凸臺、法蘭背面以及銜接各結(jié)構(gòu)要素之間銜接圓弧R5，內(nèi)腔銑削部分結(jié)構(gòu)要素如圖1所示。錐體在進(jìn)入內(nèi)腔銑削加工前的毛坯狀態(tài)如圖2所示，最大位置毛坯去除量為55MM。

2 工藝方法及多軸銑削的技術(shù)難點(diǎn)

2.1 采用增加機(jī)床擴(kuò)展軸的銑削工藝方法

圖1 錐體內(nèi)腔銑削部分的結(jié)構(gòu)要素

圖2 銑削前的毛坯狀態(tài)

錐體內(nèi)腔加工中，所需運(yùn)動軸包括：沿錐體軸線運(yùn)動的Z軸、兩徑向運(yùn)動的X軸和Y軸、實(shí)現(xiàn)360°加工的繞錐體回轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的C軸、同時需要一個與回轉(zhuǎn)軸線成90°的刀具角度轉(zhuǎn)換裝置來解決加工面與主軸成一定角度關(guān)系的問題。

現(xiàn)有設(shè)備臥式多軸鏜銑加工中心機(jī)床具備加工內(nèi)腔型面的X、Y、Z軸以及C軸，但不具有角度轉(zhuǎn)換裝置，因此，給機(jī)床擴(kuò)展配置角度轉(zhuǎn)換裝置，擴(kuò)展其加工能力，滿足錐體內(nèi)腔型面的加工，圖3是角度轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)圖。圖4是擴(kuò)展了角度轉(zhuǎn)換裝置的臥式多軸鏜銑加工中心與工件的位置關(guān)系圖。

圖3 角度轉(zhuǎn)換裝置

圖4 機(jī)床與工件的位置關(guān)系圖

2.2 多軸銑削的技術(shù)難點(diǎn)

錐體內(nèi)腔多軸數(shù)控銑削加工中存在的技術(shù)難點(diǎn)：

1）切削工藝路線規(guī)劃與最優(yōu)不干涉刀具長度測算。在內(nèi)腔法蘭與加強(qiáng)筋銑削過程中，極易出現(xiàn)刀具或夾頭與工件干涉碰撞，需進(jìn)行加工刀具長度優(yōu)選，并兼顧質(zhì)量和效率來規(guī)劃切削工藝路線。

2）帶擴(kuò)展軸的多軸數(shù)控加工程序編制。多軸加工過程中，刀具基準(zhǔn)點(diǎn)是動態(tài)變化的，采用常規(guī)的編程方法不能完成內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的多軸銑削，需結(jié)合機(jī)床增加的擴(kuò)展軸以及錐體內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)刀具基準(zhǔn)點(diǎn)在程序設(shè)計中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與計算。

3）內(nèi)腔加工數(shù)控程序的安全校核和質(zhì)量控制難度較大。內(nèi)腔加工過程中，不能直觀觀測加工過程中的干涉和碰撞，同時由于工件結(jié)構(gòu)大，采用試切帶來材料、人力和時間的大量浪費(fèi)，且無法避免試切過程的撞機(jī)風(fēng)險，需在加工仿真環(huán)境進(jìn)行數(shù)控程序的加工可靠性分析。

3 內(nèi)腔多軸銑削工藝措施

3.1 工藝路線

結(jié)合內(nèi)腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與錐體零件的整體加工工藝，考慮內(nèi)腔銑削工序的粗加工去除量大，最大達(dá)到55MM，精加工時錐體壁薄易變形等因素，并綜合考慮加工質(zhì)量、加工精度以及加工效率，兼顧角度裝換裝置的切削承力，制定出內(nèi)腔銑削工藝路線：

1）粗銑型腔。以效率為重點(diǎn)考慮因素，采用Φ16立銑刀進(jìn)行型面的粗銑，粗細(xì)后型面留量2.5MM；

2）半精銑型腔。此序是在錐體內(nèi)腔其他各型面加工完成后進(jìn)行，兼顧效率與質(zhì)量，選擇Φ16球刀進(jìn)行加工，在程序設(shè)計上控制切削量與切削路徑，半精銑后型面留量0.5mm；

3）精銑型腔。保證各結(jié)構(gòu)要素與銜接R的完整過渡，采用Φ10球刀進(jìn)行R5的清根與精銑型面同時完成，實(shí)現(xiàn)型面質(zhì)量完整控制。

3.2 切削路徑規(guī)劃

多軸加工切削模式與切削路徑關(guān)系到加工質(zhì)量與效率，結(jié)合工件結(jié)構(gòu)要素、刀具種類與粗精加工工序分別進(jìn)行不同規(guī)劃。

粗加工重點(diǎn)考慮效率，采用分區(qū)域的型腔分層銑的加工方式去除毛坯量，并采用往復(fù)直線切削方式提高走刀效率。半精加工，既要考慮加工質(zhì)量，又要兼顧效率，采用沿曲面分層銑削的方式加工，加工完成后，保證曲面各向留量均勻。精加工是完成曲面最終加工和各銜接R的清根，采用輪廓銑的曲面驅(qū)動方式加工整體銑削曲面，一次走刀完成來保證曲面整體性。圖5為錐體切削路徑示意。

圖5 錐體內(nèi)腔切削路徑示意圖

3.3 多軸銑削加工程序設(shè)計要點(diǎn)

錐體內(nèi)腔多軸數(shù)控銑削程序設(shè)計中，涉及了幾個與常規(guī)編程方法不同的幾個問題，主要包括多軸加工的坐標(biāo)關(guān)系問題、帶角度轉(zhuǎn)換裝置的刀具長度補(bǔ)償問題。

1）多軸加工的坐標(biāo)關(guān)系及基準(zhǔn)要素問題

多軸加工中涉及坐標(biāo)系包括四類：機(jī)床坐標(biāo)系、工件加工基準(zhǔn)坐標(biāo)系、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與帶角度頭的刀具坐標(biāo)系。機(jī)床各坐標(biāo)系的位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 配置角度轉(zhuǎn)換裝置的多軸坐標(biāo)關(guān)系圖

工件加工基準(zhǔn)坐標(biāo)系包括兩個要素：1）Z軸方向與錐體軸線方向平行，Z0設(shè)置在工件法蘭端面；2）在Z軸方向確定的基礎(chǔ)上，Y、X方向由機(jī)床坐標(biāo)關(guān)系自動確定，X0、Y0設(shè)置在圓錐橫截面中心，如圖7所示。

旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)系要素：旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)系決定錐面回轉(zhuǎn)角度的起點(diǎn)，C0的設(shè)置保證錐體軸線與X軸平行，如圖7所示。

帶角度轉(zhuǎn)換裝置的刀具基準(zhǔn)坐標(biāo)系要素：確立刀具的基準(zhǔn)點(diǎn)，建立刀具基準(zhǔn)點(diǎn)與加工坐標(biāo)系之間的關(guān)系，由于錐體內(nèi)腔的360°加工，刀具在XY平面需進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，因此刀具基準(zhǔn)點(diǎn)在加工過程中，是動態(tài)變化的，隨著加工角度的變化而變化。動態(tài)變化的刀具基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)系如圖8所示。

圖7 工件坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系基準(zhǔn)

2）帶角度裝置的刀具長度補(bǔ)償問題

通常在數(shù)控系統(tǒng)中，刀具軸線與主軸方向一致，刀具長度補(bǔ)償僅僅沿著主軸的單一方向進(jìn)行，數(shù)控系統(tǒng)通過設(shè)置的刀具長度自動進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償長度為刀具端面距離主軸端面的距離，如圖9中的LZ所示。

圖8 動態(tài)變化的刀具基準(zhǔn)點(diǎn)

圖9 常規(guī)刀具長度補(bǔ)償長度

然而帶直角轉(zhuǎn)換裝置的刀具軸線與主軸成90°位置關(guān)系，影響數(shù)控程序運(yùn)行的刀具長度包括兩個方向：一個是以刀具軸線與主軸線交點(diǎn)位置與主軸端面的距離LZ，一個是刀具端面到主軸中心線的距離LT，如圖10所示。那么刀具長度補(bǔ)償就包括LZ與LT兩個方向，其中LZ可以通過機(jī)床自動設(shè)定，LT需通過數(shù)控程序中變量設(shè)置與計算來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

3.4 數(shù)控程序安全性校核

數(shù)控程序安全性校核，主要實(shí)現(xiàn)刀具長度優(yōu)選以及加工可靠性分析。

圖10 帶角度裝置的刀具長度補(bǔ)償

1）刀具長度優(yōu)選

錐體內(nèi)腔銑削過程中，直角裝換裝置易與錐體法蘭和加強(qiáng)筋產(chǎn)生干涉，這就對刀具長度提出了要求。但是刀具懸伸過長，在切削過程易出現(xiàn)顫動，且切削剛性較差，怎樣選擇最短不干涉狀態(tài)的刀具長度是加工前必須要解決的問題。通過設(shè)置最長刀具，進(jìn)行多次對分法并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，確定出最合理的刀具長度。對加工錐體內(nèi)腔的所有刀具進(jìn)行長度優(yōu)選后獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 錐體內(nèi)腔加工刀具的最優(yōu)長度

2）加工可靠性分析

加工可靠性分析是通過加工過程分析以及加工質(zhì)量檢測分析來實(shí)現(xiàn)的。

加工過程分是分析加工過程中出現(xiàn)的刀具夾頭或機(jī)床與工件出現(xiàn)的干涉、碰撞以及過切等現(xiàn)象，通過將加工數(shù)控加工程序?qū)霗C(jī)床仿真環(huán)境中進(jìn)行模擬仿真實(shí)現(xiàn)。圖11是粗加工程序可靠性分析中出現(xiàn)過切現(xiàn)象的一個樣圖，仿真系統(tǒng)給出紅色圖示的報警以及程序段落的說明。

圖11 粗加工數(shù)控程序可靠性分析圖

加工質(zhì)量檢測分析是通過仿真分析進(jìn)行預(yù)測加工結(jié)果是否符合設(shè)計要求，分析的內(nèi)容包括：材料切除分析與各幾何要素加工完成后的實(shí)際尺寸測量等。材料切除分析包括過切與欠切分析，圖12為零件質(zhì)量檢測分析圖，其中過切分析閥值為0.005mm，欠切分析閥值為0.01mm，分析結(jié)果如圖12(a)所示的材料切除分析圖；各幾何要素加工完成后的實(shí)際尺寸測量采用分析零件特征尺寸，特征數(shù)據(jù)樣表如圖12(b)所示。

圖12 零件質(zhì)量檢測分析圖

4 加工效果

錐體內(nèi)腔銑削在保證程序正確性的基礎(chǔ)上，進(jìn)入實(shí)際加工，完成了錐體內(nèi)腔的各個幾何要素的加工。圖13列出了實(shí)際加工過程的粗精工的切削效果圖。

圖13 錐體內(nèi)腔實(shí)際加工過程切削效果圖

5 結(jié)語

以錐體內(nèi)腔加工工藝方法為基礎(chǔ)，程序規(guī)劃控銑削保質(zhì)量、保效率的安全可靠加工方法。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

1）錐體內(nèi)腔數(shù)控銑削工藝規(guī)劃合理、方法可靠，能保證產(chǎn)品合理加工。

2）編制的帶擴(kuò)展軸多軸數(shù)控加工程序兼顧了切削效率與曲面整體質(zhì)量，規(guī)劃的切削路線合理可靠，保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和效率。

3）通過數(shù)控程序仿真分析與優(yōu)化，解決了復(fù)雜數(shù)控程序校核的難點(diǎn)，減少了現(xiàn)場調(diào)試程序帶來的風(fēng)險和時間，保證了產(chǎn)品質(zhì)量以及機(jī)床、產(chǎn)品的加工安全性。

4）錐體內(nèi)腔多軸數(shù)控銑削加工工藝方法能為后續(xù)產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)保障。