一次裝夾實現(xiàn)管板和法蘭零件的車銑復合加工

任曉虹，王 軍，辛學臣

（1. 沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110168；2. 沈陽景宏機械有限公司，沈陽 110168）

一次裝夾實現(xiàn)管板和法蘭零件的車銑復合加工

任曉虹1，王 軍2，辛學臣2

（1. 沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110168；2. 沈陽景宏機械有限公司，沈陽 110168）

0 引言

數控車床一般只能加工回轉體類零件,對回轉類零件端面上的孔系、槽等形狀則不能直接在數控車床上加工,只能再由數控銑床繼續(xù)加工,這樣不僅影響零件的加工精度也大大增加了加工時間、降低了生產效率。在具有極坐標控制功能的立式車削中心上加工此類零件就比較方便,它是在原有直角坐標的基礎上,增加了極坐標功能,使得機床能夠把回轉類零件的表面和它端面上的孔系、槽以及上下面的倒角在一次裝夾中連續(xù)加工完成。利用數控系統(tǒng)的用戶宏功能,對管板、法蘭和平面凸輪零件編制出簡單、高效、易于檢查的數控加工程序,通過車銑復合加工方法,擴大了機床使用范圍,實現(xiàn)了機械加工過程的高效率、高精度、低成本。

1 立式車床極坐標控制的特點

在車削中心加工中,極坐標功能是對零件進行車銑復合加工的關鍵技術,它解決了回轉體零件表面的車削及其端面上輪廓的銑削等多道工序的加工問題。

所謂極坐標控制是指數控機床本身具有一個旋轉軸和一個移動軸。旋轉軸實現(xiàn)極坐標下的極角變化,移動軸實現(xiàn)極坐標下的極徑變化,兩軸在位置控制模式下實現(xiàn)旋轉與移動的插補聯(lián)動功能,這對于立式車削結構的機床(如圖1所示)是十分必要的,它可以對如圖2所示的零件,在一次裝夾中,完成所有部位的加工:內外圓柱面、上下面的內外倒角、端面上孔或槽的鉆、擴、銑等。

圖1 立式車床運動分布及結構示意圖

圖2 管板、法蘭類零件

對于立式車削中心來說其主要控制功能是:工作臺(稱為C軸)可以分度并進行伺服控制,立柱上的刀架除了可以安裝車削刀具外,還可以安裝鉆削和銑削等自驅動刀具。在進行車削加工時,工作臺為主軸,通過主軸在C軸方向的回轉和刀具在X、Z軸方向的移動,完成回轉體零件的內外圓柱面的加工;在進行銑削加工時主軸運動為刀具的旋轉和在Z軸方向的上下移動,同時配合工作臺在C軸方向的回轉,完成端面上孔或異形輪廓的鉆、擴、鏜、銑、攻螺紋和上下面的倒角加工,所以,使得工件在一次裝夾中完成多道工序的加工過程,不僅提高了生產效率,而且能大大提高加工精度。本文以西門子802D數控車削系統(tǒng)為例,研究車削中心在極坐標控制下,通過宏程序編程實現(xiàn)零件的車銑復合加工的方法。

2 車銑復合加工的實現(xiàn)方法

以圖2所示零件為例,其加工過程為:

1)加工內外圓柱面

加工零件的內外圓柱面時,機床符合車削運動模式。工件在工作臺上的旋轉是主運動,刀具的橫向或縱向移動是從運動。主軸為工作臺(C軸)由直流伺服電機驅動做回轉運動,刀具根據零件的直徑和高度在橫梁(X軸)或立柱上(Z軸)上做直線運動。

2)加工上下面倒角

通過自定心機構,工件的中心與工作臺回轉中心重合,這時工作臺通過轉換機構由直流伺服電機切換到交流伺服電機驅動,成為C軸,工件在工作臺上可以做任意角度(θ)的回轉運動。刀具安裝在主軸上,在做旋轉運動(主運動)的同時還可以在立柱上左右移動。

在對零件的上下面倒角時,實際是工作臺與刀具做圓弧插補運動。由于刀具只能在X軸線上移動,所以工作臺在做回轉運動時,刀具一方面旋轉,一方面在X方向按X=f(q)關系做位移運動。當選擇合適的刀具,如45度雙刃倒角刀,對工件上面倒角用倒角刀的下刃,對工件下面倒角用刀的上刃,工件不需二次裝夾,即可完成上下兩個面的倒角加工,大大減小了用于工件翻轉而損失的加工精度和裝夾時間。

3)加工零件端面上的孔

在加工管板或法蘭端面上的孔時,機床是在銑削模式下工作。在銑削模式下裝在主軸箱上的刀具的旋轉是主運動,它由內置于主軸箱中的伺服電機驅動,刀具可以一邊旋轉一邊橫向移動,工作臺在伺服電機控制下可以實現(xiàn)連續(xù)的回轉進給或任意角度的分度,通過工作臺回轉和主軸箱直線移動的插補控制,一方面可以精確地對被加工孔的位置進行定位,另一方面可以按銑削方式對圓孔進行鉆、擴、銑等加工,從而保證孔間距和孔徑尺寸、孔的垂直度、光潔度等加工要求。刀具縱向(Z向)運動主要是對切削深度進行控制和進刀、退刀控制。

3 宏程序編程思想

在用戶宏程序中,由于允許使用變量,并且可以進行算術運算、邏輯運算和條件轉移等,所以在加工同一類零件或零件具有相同形狀的輪廓時,如果用一個通用宏程序,只需將實際加工零件的值賦給變量即可,而不需要對每個零件或所有部位都編一個程序,這樣可以極大地提高編程和加工效率。

西門子802D系統(tǒng)宏程序功能采用R參數編程,即零件的加工信息以參數形式賦給R存儲器,執(zhí)行加工程序時調用相關存儲器中的參數即可。以管板類零件為例,R參數包括:管板上第一排第一個孔的X/Y坐標、以極坐標定位的極半徑和極角、孔的個數和孔的間距、鉆孔時的進給速度、鉆孔深度、抬刀高度、循環(huán)次數等。由于車削機床是以極坐標方式進行孔的定位,然后進行鉆或銑孔加工的,所以輸入相關加工信息后,需將直角坐標X、Y轉換成極坐標ρ、q, 并將轉換結果賦值給R地址,機床伺服系統(tǒng)按照所生成的ISO代碼數控加工程序,指令機床各坐標軸執(zhí)行進給運動,完成零件的加工過程。圖3是編制宏程序的流程圖。

4 銑削法蘭端面上孔的宏程序應用舉例

圖3 用戶宏程序流程圖

當被加工孔的數量較多或孔的直徑較大時,需要采用極坐標控制方式對各孔定位,并用銑削方法完成孔的加工。設工作臺回轉中心為O,被加工孔的中心為O1,O與O1的距離為ρ。銑削該孔時,X軸與C軸需要做插補運動。由于銑刀始終在橫梁(X軸)上移動,所以要求工作臺必須做正反兩個方向的回轉運動。無論工作臺正轉還是反轉,孔的中心O1始終沿著1線軌跡移動,如圖4所示。若O1孔的半徑為R,需分4段圓弧進行加工。在每段圓弧上工作臺回轉方向和刀具在X軸移動的方向為:銑MB段圓弧時工作臺逆時針旋轉q 角,銑刀沿+X軸移動;銑BN段圓弧時工作臺逆時針旋轉q角,銑刀沿-X軸移動;銑MB1段圓弧時工作臺順時針旋轉q角,銑刀沿-X軸移動;銑B1N段圓弧時工作臺順時針旋轉q角,銑刀沿+X軸移動。C軸每回轉一個角度,X軸就移動一段距離,工作臺在正反方向回轉的最大角度均為-,刀具在X軸上移動的距離符合x=f(q)的關系。

圖4 銑削圓孔

實際加工時可以根據加工精度在每段圓弧的圓周上進行點的密化,如銑MB段圓弧,需要走400個點坐標,編程時對N賦值(N=400),并輸入相關參數R62=400,系統(tǒng)將直角坐標轉換成極坐標后,即可執(zhí)行加工程序。

銑削半徑為R的圓孔(以銑BN段圓弧為例)宏程序如下:

5 結束語

在西門子802D數控車削中心上采用極坐標插補控制實現(xiàn)管板和法蘭零件的車銑復合加工,是一種全新的加工途徑,該方法操作簡單,不需準備任何特殊夾具和附加裝備。通過對法蘭零件(直徑為1.2米)的加工,檢測其精度和性能指標均達到了加工要求,其中X軸定位精度為0.02mm,C軸定位精度達0.05°,X軸和C軸的重復定位精度均達0.005mm,任意兩孔間的最大定位誤差為±0.05mm。由于利用數控系統(tǒng)用戶宏功能編制零件加工程序,其程序簡捷、高效、易于檢查,克服了普通手工編程速度慢、容易出錯等缺點,大大提高了編程速度及準確性,使管板和法蘭類零件的加工質量、加工效率都得到很大的提高,同時又減輕了工人的勞動強度,降低生產成本,實踐證明這種方法是實現(xiàn)高效、高精、低成本加工管板和法蘭類零件的新方法。

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Achievement of turn-mill combined machining for the tube-sheet and flange with one time clamping

REN Xiao-hong1, WANG Jun2, XIN Xue-chen2

管板和法蘭類零件被大量應用于化工、熱能等行業(yè)，對其加工要求不論是數量還是質量都越來越高。本文以西門子802D數控系統(tǒng)為例，研究了立式車削中心基于極坐標控制的特點，通過宏程序編程，實現(xiàn)了一次裝夾對管板和法蘭類零件進行車銑復合加工的方法，使機械加工過程達到高效率、高精度、低成本。

車銑復合加工；極坐標控制；宏程序

任曉虹(1960－),女,哈爾濱人,副教授,學士,研究方向為數控機床及其加工技術、自動控制等。

TP391

A

1009-0134(2011)1(上)-0039-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.1(上).12

2010-10-21