大型焊接殼體的數(shù)控加工

趙翔宇 付麗秋 陳建新 陳 瑾 李龍海

(齊齊哈爾北方機(jī)器有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾 161000)

殼體類零件是機(jī)械加工中比較常見(jiàn)的零件，該類零件的主要特點(diǎn)是:重量輕，體積大，一般是由薄板焊接而成，零件的剛性差，加工中容易產(chǎn)生變形，很難保證加工精度。

1 結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

本文中論述的零件(以下簡(jiǎn)稱殼體，見(jiàn)圖1)的總體結(jié)構(gòu)為大型焊接殼體結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)部位采用了高強(qiáng)度合金鋼板，在少數(shù)部位采用了焊接性能和切削加工性能較好的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板。該零件的主要作用是安裝產(chǎn)品上的其他部件，為人員提供工作空間，殼體上的72°斜面與托架配合承受產(chǎn)品的工作載荷，殼體底板通過(guò)軸承與基座相聯(lián)接，安裝在殼體內(nèi)部的方向機(jī)驅(qū)動(dòng)殼體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。殼體在設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)了高空間利用率和低重量的原則，但是由于結(jié)構(gòu)要求上的制約也造成了該零件體積大機(jī)加設(shè)備超行程，裝夾困難，機(jī)加過(guò)程中變形量大等一系列問(wèn)題。

2 工藝分析和數(shù)控程序的編制

2.1 機(jī)加設(shè)備的選擇和工藝難點(diǎn)概述

為解決殼體在科研階段存在的一系列問(wèn)題，筆者公司在批量生產(chǎn)中引進(jìn)了大型數(shù)控鏜銑床。該設(shè)備采用SIEMENS 840 D操作系統(tǒng)，機(jī)床共有7個(gè)可編程軸，可以實(shí)現(xiàn)其中任意4軸的聯(lián)動(dòng)(X軸為立柱橫向移動(dòng)，Y軸為主軸箱升降，Z軸為主軸作軸向運(yùn)動(dòng)，W軸為方滑枕軸向移動(dòng)，U軸為工作臺(tái)軸向移動(dòng)，V軸用于平旋盤徑向移動(dòng)，B軸為工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))。設(shè)備附件配備有直角銑頭、萬(wàn)向銑頭、加長(zhǎng)銑頭和數(shù)控平旋盤，在一次裝夾中可以對(duì)工件進(jìn)行多平面多角度的加工，設(shè)備總體性能比較先進(jìn)，加工精度高。該設(shè)備的引進(jìn)從根本上解決了科研生產(chǎn)中存在的設(shè)備超行程和孔系位置精度難以保證等問(wèn)題。

殼體的機(jī)加量大，加工部位多而且分散，比較主要的機(jī)加部位有3處:第一處是殼體與托架裝配的配合面;第二處是殼體內(nèi)部安裝方向機(jī)的平面;第三處是殼體底面安裝各部件的孔系。

2.2 殼體72°斜面的加工

殼體與托架配合面的作用是安裝托架，托架是該產(chǎn)品的重要支承件，該產(chǎn)品工作時(shí)產(chǎn)生的力將通過(guò)托架傳遞到殼體上，設(shè)計(jì)要求殼體下定位面(基準(zhǔn)B面)與托架定位面的間隙不大于0.03 mm，并且殼體的72°兩斜面與托架配合面之間著色面積不小于85%，間隙不大于0.03 mm。在批量生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備中對(duì)于這一尺寸的加工有3個(gè)備選方案:

第一方案在科研生產(chǎn)中該72°平面在普通落地鏜床上進(jìn)行加工，但普通落地鏜床并不能加工連續(xù)的斜面，因此加工中用工藝臺(tái)架裝夾使殼體的72°斜面成為與機(jī)床主軸垂直的平面并按劃線找正工件，然后進(jìn)行加工(圖2a)。該加工方法的缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與工藝基準(zhǔn)不統(tǒng)一，72°斜面的基準(zhǔn)面為殼體與托架相配合的表面(基準(zhǔn)B面)，按線找正精度低不能滿足設(shè)計(jì)要求。在后續(xù)加工中鉗工修研量非常大，而且保證設(shè)計(jì)要求十分困難。如果在批量生產(chǎn)中仍然采用此方法進(jìn)行加工以上問(wèn)題還將存在，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

第二方案是以殼體側(cè)面焊接的工藝塊作為定位面，將殼體側(cè)立裝夾按基準(zhǔn)A面進(jìn)行找正，然后利用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)分度，使主軸與72°斜面垂直(圖2b裝夾后數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)未分度狀態(tài))。此方案的優(yōu)點(diǎn)是使用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分度非常準(zhǔn)確沒(méi)有分度誤差。但在加工過(guò)程中由于工件剛性差，側(cè)立裝夾容易產(chǎn)生變形(基準(zhǔn)A面變形量0.3 mm以上)，加工后的72°斜面相應(yīng)產(chǎn)生誤差不符合設(shè)計(jì)要求。而且在側(cè)立裝夾加工中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象使加工部位的表面質(zhì)量下降，更嚴(yán)重的振動(dòng)將導(dǎo)致加工無(wú)法正常進(jìn)行。以上這些現(xiàn)象在側(cè)立裝夾加工殼體其它部位中都有體現(xiàn)。

第三方案是將殼體平放以基準(zhǔn)A面作為定位面進(jìn)行裝夾，然后利用數(shù)控鏜床所配的萬(wàn)向角銑頭分度使其軸線與72°被加工表面垂直然后進(jìn)行加工(圖2c)。這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一。在使用直角銑頭加工72°斜面的基準(zhǔn)B面后，用萬(wàn)向角銑頭分度同時(shí)數(shù)控鏜床Y軸和W軸進(jìn)行斜線聯(lián)動(dòng)，可以很準(zhǔn)確地保證72°斜面的準(zhǔn)確性并且裝夾的穩(wěn)定性好。在批量生產(chǎn)中采用第三種加工方案進(jìn)行72°斜面的加工，經(jīng)檢驗(yàn)完全符合設(shè)計(jì)要求取得了很好的效果。

使用第三方案加工殼體72°斜面的程序如下:

在數(shù)控加工中，一般會(huì)采用刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)控制被加工表面的尺寸。在此程序中，由于加工平面不是在標(biāo)準(zhǔn)的XY、XZ、YZ平面，所以在加工中不能使用數(shù)控系統(tǒng)中的刀具半徑補(bǔ)償功能。為了達(dá)到控制銑削尺寸的目的我們用參數(shù)R1來(lái)記錄刀具半徑，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)R1中的數(shù)值來(lái)控制銑削尺寸。該程序的零點(diǎn)設(shè)置和走刀路徑如圖3所示。

2.3 殼體安裝方向機(jī)平面的加工

殼體加工中的另一個(gè)難點(diǎn)是底部?jī)?nèi)側(cè)的安裝方向機(jī)平面，該平面的作用是安裝方向機(jī)，其加工質(zhì)量將影響到方向機(jī)與座圈的配合精度。由于該平面設(shè)計(jì)在殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)而且加工面積大，而該零件又是一個(gè)半封閉的結(jié)構(gòu)，在科研生產(chǎn)中沒(méi)有設(shè)備能對(duì)其進(jìn)行機(jī)加，完全由鉗工用砂輪磨研來(lái)保證，效率非常低而且不易保證精度。此次批量生產(chǎn)中，在數(shù)控鏜床上進(jìn)行加工，我們采用了殼體側(cè)立裝夾(如圖2b所示)，直角銑頭分度同時(shí)數(shù)控鏜床進(jìn)行圓弧插補(bǔ)的方法進(jìn)行加工。實(shí)踐證明采用這種加工方法，提高了加工效率并且保證了加工質(zhì)量。加工中使用程序如下(零點(diǎn)設(shè)置和走刀路徑如圖4所示):

2.4 殼體底面孔系的加工

殼體底面上的孔系作用是安裝座圈和方向機(jī)等部件，其位置度要求比較嚴(yán)格(如圖5a)。在科研生產(chǎn)中，采用劃線后鉆床鉆孔的方法進(jìn)行加工，加工精度低，裝配過(guò)程中個(gè)別孔不能與座圈孔對(duì)正，需擴(kuò)孔后進(jìn)行裝配。在采用數(shù)控鏜床加工后，由于數(shù)控機(jī)床定位精度好，這一問(wèn)題從根本上得以解決。因?yàn)榧庸た椎臄?shù)量較多，在編程中使用點(diǎn)到點(diǎn)的方法編程比較復(fù)雜，所以我們使用了SIEMENS 840 D數(shù)控系統(tǒng)具備的循環(huán)編程功能進(jìn)行編程使程序得到簡(jiǎn)化，在此僅結(jié)合殼體底面孔系的加工進(jìn)行說(shuō)明。鉆孔程序如下:

該程序共鉆相等直徑孔42個(gè)，用普通方式編程其程序長(zhǎng)度將達(dá)到150段以上，在使用循環(huán)編程后僅用11段程序就可以完成。其中N25段為鉆孔循環(huán)功能的模態(tài)調(diào)用;N30段為圓周分布上的孔位置循環(huán)，N35和N40段程序?yàn)殂@孔點(diǎn)的位置，N45段為模態(tài)鉆孔循環(huán)功能的取消。

N25 段程序中的 CYCLE82(30，0，20，－34，0，1)為鉆孔循環(huán)，其含義是CYCLE82(30＜RTP退回平面＞，0＜RFP基準(zhǔn)面 ＞，20＜SDIS安全距離 ＞，－34＜DP孔底深度＞，0＜DPR相對(duì)于基準(zhǔn)面的鉆削深度＞，1＜DTB在鉆孔底部的停留時(shí)間＞)。相應(yīng)的機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程是快速移動(dòng)到安全距離Z20(SDIS)→執(zhí)行N15段中F200的進(jìn)給率鉆削至孔底深度Z－34(DP)→在孔底部Z－34位置停留1 s(DTB)→快速移動(dòng)到退回平面Z30→循環(huán)完成(如圖5c)。

N25段和N45段程序中的“MCALL”指令是循環(huán)模態(tài)調(diào)用或循環(huán)模態(tài)取消指令。循環(huán)模態(tài)調(diào)用指令即使循環(huán)持續(xù)有效的指令，與“MCALL”指令在同一段中的指令，將在此后每個(gè)程序段的指令執(zhí)行后，都被執(zhí)行一次。在本程序中被模態(tài)調(diào)用的就是CYCLE82(30，0，20，－34，0，1)的鉆孔循環(huán)。如果沒(méi)有循環(huán)模態(tài)取消指令，被模態(tài)調(diào)用的循環(huán)如CYCLE82將被連續(xù)使用下去。在一個(gè)程序段中獨(dú)立使用的“MCALL”指令就是循環(huán)模態(tài)取消指令。如:“N45 MCALL”，它將取消此前“N25 MCALL CYCLE82(30，0，20，－34，0，1)”模態(tài)調(diào)用的鉆孔循環(huán)，使程序回到正常狀態(tài)。

N30 段程序中的 HOLES2(0，0，1 500，0，9，40)為圓周上孔位置循環(huán)，其只能實(shí)現(xiàn)機(jī)床在圓周上各孔間的移動(dòng)，這種位置循環(huán)在加工中一般都在模態(tài)調(diào)用的鉆孔循環(huán)后使用，如在本程序中的“N25 MCALL CYCLE82(30，0，20，－34，0，1)”后使用。圓弧上孔位置循環(huán)HOLES2(0＜CPA圓周的圓心橫坐標(biāo)＞，0＜CPO圓周的圓心縱坐標(biāo)＞，1 500＜RAD孔圓周排列的半徑＞，0＜STA1第一個(gè)孔相對(duì)于工件坐標(biāo)系橫軸的夾角＞，9＜INDA圓周排布孔的角度增量＞，40＜NUM鉆孔總數(shù)＞。在執(zhí)行該循環(huán)的過(guò)程中，機(jī)床將在以工件坐標(biāo)系的X0Y0為圓心，以R1500為半徑的圓周上進(jìn)行點(diǎn)定位(點(diǎn)至點(diǎn)間的移動(dòng))，點(diǎn)定位的第一點(diǎn)位置是位于R1500圓周上的點(diǎn)與圓心連線相對(duì)于X軸正向?yàn)?°的位置，然后在圓周上按逆時(shí)針?lè)较蛎吭黾?°進(jìn)行一次點(diǎn)定位，在“N30 HOLES2(0，0，1 500，0，9，40)”的執(zhí)行過(guò)程中共進(jìn)行了40次點(diǎn)定位(如圖5b圓周上孔位置循環(huán)圖)。

該程序從N5到N55連續(xù)執(zhí)行的機(jī)床動(dòng)作是:N5段設(shè)置工件零點(diǎn)G54，Z軸快速移動(dòng)到100位置，主軸正轉(zhuǎn)200 r/min→N10段快速移動(dòng)到X0Y0位置→N15段設(shè)置鉆削進(jìn)給速度→N20段設(shè)置各孔間的移動(dòng)為快速→N25段模態(tài)調(diào)用鉆孔循環(huán)(鉆孔循環(huán)持續(xù)有效)→N30段圓周上孔位置循環(huán)(在模態(tài)調(diào)用鉆孔循環(huán)的情況下，每次點(diǎn)定位后都將調(diào)用一次鉆孔循環(huán)，在該點(diǎn)上鉆一個(gè)孔。該圓周上孔位置循環(huán)共進(jìn)行了40次點(diǎn)定位，也就是在規(guī)定的圓周上鉆了40個(gè)孔。)→N35和N40段點(diǎn)定位其余兩孔并鉆孔→N45段鉆孔循環(huán)的模態(tài)調(diào)用取消→N50段快速移動(dòng)到Z100位置→N55段主軸停轉(zhuǎn)程序結(jié)束。

2.5 殼體數(shù)控加工的工藝過(guò)程

在確定了以上3個(gè)工藝難點(diǎn)的加工方法后，我們將殼體的數(shù)控加工過(guò)程分為兩次裝夾完成:

第一次裝夾為將殼體平放以基準(zhǔn)A面作為定位面進(jìn)行裝夾(如圖2c所示)，在此次裝夾中主要完成殼體頂部各孔及其端面的加工，殼體72°配合面的加工，底部基準(zhǔn)B面的加工和殼體側(cè)立加工的基準(zhǔn)D平面的加工等。在本次裝夾的加工中考慮到殼體剛性差和加工變形的因素，應(yīng)在殼體內(nèi)部和底部相應(yīng)位置增加浮動(dòng)支撐以提高殼體的剛性，減小切削引起的變形和振動(dòng)現(xiàn)象。為防止裝夾過(guò)程中由于施加夾緊力不當(dāng)而產(chǎn)生的變形，在裝夾過(guò)程中應(yīng)用百分表檢測(cè)炮塔本體產(chǎn)生變形的情況，并適時(shí)調(diào)整夾緊力的大小和作用位置。

第二次裝夾為側(cè)立式裝夾(如圖2b所示)，由于殼體的側(cè)面均為鋼板焊接表面是毛坯表面不能作為裝夾的定位面，所以我們?cè)跉んw側(cè)面焊接工藝支撐并對(duì)其進(jìn)行加工，形成新的工藝基準(zhǔn)面，作為加工底面各部位的工藝基準(zhǔn)(如圖1左視圖基準(zhǔn)D平面)。在此次裝夾中主要完成殼體底板孔系的加工，殼體內(nèi)安裝方向機(jī)平面的加工等。由于殼體剛性差和基準(zhǔn)D平面加工中存在誤差等原因，將引起裝夾后基準(zhǔn)A面與機(jī)床主軸之間的垂直度誤差進(jìn)而影響加工部位的形狀和位置精度，所以在裝夾中應(yīng)注意找正基準(zhǔn)A面與主軸軸線的垂直度，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)語(yǔ)

在該產(chǎn)品的首次批量生產(chǎn)中，通過(guò)對(duì)殼體加工的實(shí)時(shí)跟蹤，表明殼體的加工精度完全滿足設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)效率大幅度提高。驗(yàn)證了殼體的工藝方案，加工程序和設(shè)備選型等的正確合理，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，并為今后殼體類零件的機(jī)加積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。