DST Ecospeed機床在航空結構件生產中的角鉆頭長度適配方案

趙志鵬 王思廣

摘 要：在航空結構件中，很多零件肋板間距離較小，機床加工時活動空間極為有限，因此該類零件的制孔工序對角鉆頭的體積要求非常嚴格。目前，國內并沒有滿足要求的產品，國外產品中，專用刀具價格昂貴，如果大批量購買成本極高;而適用于手持加工工具的刀頭雖然價格較低，體積也足夠小，但由于手持設備的限制，往往長度（鉆頭軸心到主軸端面的距離，后文以字母L代替）過短，安裝在數控機床專用的刀具底座后，鉆頭很難到達鉆空位置，以致無法完成加工。為解決這一問題，本文以JMFC 300系列刀頭（用于手持設備）和DST Ecospeed 機床為例，介紹一種以增加長度適配器的方式，使角鉆頭長度L滿足加工需求的方案。適配器具有通用性，極大地增加日常生產中角鉆頭的選擇范圍，也為加工程序的編寫創造了更大的空間。

關鍵詞：航空結構件;角鉆頭;DST Ecospeed機床;長度適配器;通用性

引言

DST Ecospeed 機床屬于六坐標臥式高速加工中心，其角鉆頭由刀頭和通用底座兩部分組成。刀頭體型較小，可夾持刀具（與主軸轉動軸心垂直）;底座裝卡于機床主軸夾刀器（Spindle Holder）上，內置減速器，其機械結構決定了轉向以及刀具與主軸間的傳動比。底座與刀頭傳動結構為同軸連接，如圖一所示，長度適配器的安裝位置在兩者之間。高速主軸系統在機床上做高速回轉運動，其轉速一般大于8000r/min[1]。本實例中，機床最高轉速更是達到30000 r/min，因此在設計過程中，不僅要保證刀具在長度上滿足加工要求，還要兼顧適配器與原結構連接的牢固性和運轉的穩定性，較穩妥的選擇是讓傳動機構的對接方案與原設計保持一致。長度適配器的安裝會帶來多個方向的偏差，該偏差可在校準后通過機床刀具相關參數進行補償。

1 零部件設計

1.1 尺寸設計

機床的內部結構和待加工零件的理論輪廓共同決定了角鉆頭Z向的長度范圍。加裝長度適配器后，角鉆頭的外形尺寸應在此范圍之內。經測量驗證，在保證刀具（刀頭和底座）在機床內部正常運輸、存儲的情況下，其長度L不能超過270mm。為避免發生意外碰撞，L值應控制在260mm之內。另一方面，零件加工需要刀具長度L保證在245mm以上，而安裝刀頭JMFC 300后，L值僅為207.4mm。出于對安全性和加工精度兩個方面的考量，刀具應在保證生產需求的前提下盡可能短小。因此，將適配器延長區域設計為40mm（適配后的刀具長度L為247.4mm）是較為理想的選擇。

1.2 結構設計

為方便拆裝與角度調整，原刀具設計中，刀頭與底座的傳動軸僅通過聯軸器的突起與凹槽結構相連。長度適配器同樣有拆裝和調整角度的需求，因此傳動設計也應保持簡潔、穩定的原則，其連接方式與原設計一致，內部結構如圖二所示。適配器的外殼以螺紋連接的方式將刀頭固定在底座上，前后內/外螺紋的直徑分別與底座和刀頭相同。同時外殼的內形為傳動機構的軸承提供定位。原刀具結構中，螺紋連接處由4個與軸心垂直、呈90°排列的內六角螺栓加以緊固。為保證相同的連接強度，也考慮到后續工作中有在C軸方向調節刀頭精度的需求，這個設計在長度適配器中得到繼承（如圖三所示）。

2 刀具補償

在完成適配器的安裝，并驗證刀具可在機床內部正常運送后，可在試切前對其進行補償工作。目前數控系統都具備刀具長度和刀具半徑補償的功能[2]。刀具長度補償又包括幾何補償（形狀、安裝位置）及磨損補償。其中，半徑補償針對二維輪廓加工，而磨損補償用于補償刀具使用磨損后刀具頭部與原始尺寸的誤差[3]。本實例中的角鉆頭僅用于鉆孔工序，適配器的使用也不會使刀具的磨損產生額外變化，因此本文只考慮刀具形狀和位置的調整。

加裝長度適配器后，刀頭相對于底座的位置可能會產生6個方向的變動，（X、Y、Z、A、B、C）。其中Y軸的偏差可在投入生產之前通過鉆頭的長度補償進行調整;而在鉆頭在垂直的狀態下，B軸的偏差并不會影響鉆頭的垂直度。所以實際的位置補償工作只需針對X、Z、A、C四個幾何軸進行，如圖四所示。需要說明的是，對于其他機床結構，校準的原理相同，方法可以共用，但對應的幾何軸須根據實際情況進行調整。

刀具在C軸方向的調整工作需要配合杠桿表與芯棒完成。刀具夾持在主軸上后，手動將A、B、C三軸數值歸零。在此狀態下安裝芯棒，并將杠桿表測針沿幾何軸X軸方向頂住芯棒。松開適配器4個緊固螺栓，沿Y方向移動刀具，并根據表針示數旋動刀頭調整角度。讀數不再變化后，重新旋緊螺栓。

A軸調整方式與C軸相同，只需把測針方向改為Z軸，調整方向改為A軸即可。最終，將A軸角度寫入文件KWZ_PAR的相應刀具參數KWZ_WBK_ WINKEL中（不同機床刀具文件名稱有差別）。

X與Z軸的校準方法與傳統角鉆頭相同。DST Ecospeed機床的校準流程需借助帶有定位孔的專用量塊。在手動測量刀具長度L和鉆頭長度后，更新刀具信息（為防止發生碰撞，鉆頭長度可稍微大于實際值）。隨后，讓機床依據量塊上定位孔的坐標（坐標位置預先設定）運行至孔位正上方。此時觀察鉆頭軸心與量塊孔洞軸心的相對位置（如圖五所示），以此確定補償值（圖中X和Z）與補償方向，并將結果分別填入刀具信息Adapter length 1（X方向）和Adapter length 2（Z方向）中。為保證結果準確，可在調整后重復以上操作，進行位置驗證，直到芯棒可沿Y軸準確插入定位孔中。

3 結論

經實際驗證，該長度適配方案可以滿足實際生產需要。同時，通用接口的使用讓適配器可連接多種刀頭，較為簡單的結構也允許其長度自由定制（在機床允許的范圍內），使得單一刀頭適用于更廣泛的生產內容。不僅可以節約大量成本，避免刀具的重復購入，更減輕了刀具對生產進度的限制，讓排產更加靈活與高效。

在未來的生產中，如需使用其他規格的刀頭，只需手動更換并重新校準即可。校準方案同樣具有通用性。即便面對不同型號的機床，在首次校準時，按實際情況調整坐標軸后也可正常使用。后續生產中，操作者經過培訓，便可根據生產需要自行操作。

參考文獻：

[1]丁雪生.積極發展中高檔數控機床一大型、高速、精密、多軸、復合和高效專用數控機床[J].WMEM，2007，（2）：72—75

[2]劉雄偉，張定華，王增強，等.數控加工理論和編程技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]葉凱.數控編程與操作[M].北京：機械工業出版社.2008.