五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合制造工藝技術(shù)應(yīng)用

鄒小堤，胡 純

(武漢重型機(jī)床集團(tuán)有限公司 工藝與工程研究院，湖北 武漢430205)

五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合制造工藝技術(shù)是一種在傳統(tǒng)精密制造技術(shù)基礎(chǔ)上，集成了現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)和CAD/CAM 應(yīng)用技術(shù)的先進(jìn)、復(fù)合化的機(jī)械加工工藝技術(shù)［1-2］，可以實(shí)現(xiàn)在一次裝卡條件下對(duì)零件進(jìn)行多工種、多工序的復(fù)合加工［3］，且刀具能夠以理想的角度［4］接近切削表面，實(shí)現(xiàn)最佳切削條件。其加工范圍和功能非常強(qiáng)大，已經(jīng)成為機(jī)械制造行業(yè)的前沿技術(shù)。筆者結(jié)合所承擔(dān)的某重點(diǎn)國(guó)家工程項(xiàng)目，介紹車(chē)銑復(fù)合制造工藝技術(shù)在航空零件制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 工藝要求

1.1 加工零件技術(shù)要求

兩個(gè)零件的主要尺寸精度及技術(shù)要求如下：

(1)零件1 毛坯采用不銹鋼鍛件。零件大致為空間偏心回轉(zhuǎn)體，其中外形由多段平滑曲面相接而成，內(nèi)腔由呈α 夾角的兩趟內(nèi)孔相交過(guò)渡而成，如圖1 和圖2 所示。零件外表面要求曲面過(guò)渡自然平滑，整體拋光鍍鉻。兩內(nèi)孔夾角的角度允差為±0.003°，內(nèi)孔孔口端面距內(nèi)孔軸心線交點(diǎn)距離(L1、L2)允差≤0.05 mm，且端面與內(nèi)孔中心線均有較高的形位公差要求。

(2)零件2 毛坯采用不銹鋼鍛件。零件大致為空間偏心錐體，其中外形由圓錐面及多段平滑曲面相接而成，內(nèi)腔由呈α 夾角的多趟內(nèi)孔相接過(guò)渡而成，如圖3 和圖4 所示。零件外表面要求曲面過(guò)渡自然平滑，整體拋光鍍鉻。兩內(nèi)孔夾角的角度允差為±0.003°，內(nèi)孔孔口端面距內(nèi)孔軸心線交點(diǎn)距離(L1、L2)允差≤0.03 mm，且端面與內(nèi)孔中心線均有著較高的形位公差要求。

圖1 零件1

圖2 正等測(cè)視圖

圖3 零件2

圖4 正等測(cè)視圖

1.2 加工難點(diǎn)分析

零件1、零件2 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多個(gè)回轉(zhuǎn)特征和小結(jié)構(gòu)特征，外形曲面曲率變化較大。雖然理論上任意復(fù)雜表面都可用X、Y、Z三軸坐標(biāo)表述，但在實(shí)際加工過(guò)程中刀具并不是一個(gè)點(diǎn)，而是具有一定尺寸的實(shí)體，因此刀具在加工曲面過(guò)程中容易與加工面發(fā)生干涉。同時(shí)，由于刀軸方向始終不變，刀刃與曲面的切點(diǎn)不斷變化，使得曲面各點(diǎn)切削條件(切削速度Vc、進(jìn)給速度Vf)無(wú)法達(dá)到一致，因此表面粗糙度難以滿(mǎn)足要求。如果采用三軸加工，在加工過(guò)程中工件翻面會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，曲面容易與加工面產(chǎn)生接刀痕，使加工精度大大降低。

要避免對(duì)空間曲面加工時(shí)出現(xiàn)刀具與加工面之間的干涉以及保證曲面各點(diǎn)的切削條件一致性，就必須調(diào)整刀具軸線與曲面法向矢量的夾角［5］。這就意味著加工過(guò)程中，除了X、Y、Z這3個(gè)線性軸聯(lián)動(dòng)外，至少還需要一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸參與聯(lián)動(dòng);要完美地保證曲面加工過(guò)渡平滑甚至還需五軸聯(lián)動(dòng)、主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)［6-7］，且CAM 編程時(shí)要對(duì)刀軸矢量進(jìn)行精確控制。

2 工藝解決方案

五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的應(yīng)用，使工藝設(shè)計(jì)更加靈活，工序更加集中，這不僅提高了工藝的有效性，還減少了零件在整個(gè)加工過(guò)程中的裝夾次數(shù)，使加工的精度更易保證。零件1 和零件2 雖幾何尺寸及精度要求差異較大，但結(jié)構(gòu)上大體都屬于帶空間相交孔的曲面體。由于零件外形不規(guī)則，設(shè)計(jì)工藝路線時(shí)就必須充分考慮零件裝卡和加工基面的問(wèn)題。如何減少裝卡次數(shù)、避免重復(fù)找正帶來(lái)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換誤差成為工藝方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最終決定在零件左端預(yù)留75 mm 工藝臺(tái)(如圖5 所示)，并在工藝臺(tái)上精銑一段扁口，作為后序精加工裝卡找正的基準(zhǔn)，這樣就較好地解決了零件外形復(fù)雜給加工帶來(lái)的困難。

制定工藝路線需要綜合考慮零件各形位公差要求以及熱處理方式等因素，并結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，合理安排工序內(nèi)容及加工設(shè)備。為了充分釋放零件粗加工應(yīng)力，零件在粗銑外形后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，然后在車(chē)銑復(fù)合加工中心上對(duì)外形曲面及呈空間布置的孔、斜端面進(jìn)行復(fù)合加工，最后在常規(guī)機(jī)床上加工相交內(nèi)孔。

圖5 工藝臺(tái)設(shè)計(jì)

3 CAM 數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

DMG 公司生產(chǎn)的CTX gamma 2000 TC 車(chē)銑復(fù)合加工中心(如圖6 所示)屬于具備B 軸功能的高端車(chē)銑設(shè)備。CTX gamma 2000 TC 以車(chē)削功能為主，并集成了銑、鏜、鉆等功能，具有3 個(gè)直線進(jìn)給軸和2 個(gè)圓周進(jìn)給軸，并配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)。CAM 數(shù)控加工程序運(yùn)行在CTX gamma 2000 TC車(chē)銑復(fù)合加工中心上，主要包括制作驅(qū)動(dòng)曲面、加工工藝規(guī)劃和加工程序代碼這3 部分［8-11］。

圖6 CTX gamma 2000 TC 車(chē)銑復(fù)合加工中心

3.1 制作驅(qū)動(dòng)曲面

NX_CAM 多軸編程時(shí)一般是通過(guò)驅(qū)動(dòng)曲線(點(diǎn)、邊界)和驅(qū)動(dòng)曲面按照一定的策略產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，并將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)按一定的投影矢量投影至被加工表面生成刀具路徑。多軸加工時(shí)刀軸矢量隨著加工表面法向的變化而改變，從而完成復(fù)雜曲面的加工。彎頭及尾外套的驅(qū)動(dòng)曲面均采用圓弧沿樣條曲線掃掠生成片體，曲面簡(jiǎn)單可靠，其中五軸CLSF 刀軌控制［12］界面圖如圖7 所示，NX_CAM刀軸控制界面圖如圖8 所示。

圖7 五軸CLSF 刀軌控制界面圖

3.2 加工工藝規(guī)劃

零件分粗加工、半精加工、精加工3 個(gè)部分完

成，采用NX_CAM 編程時(shí)需靈活運(yùn)用不同的加工策略，結(jié)合零件余量合理分配加工內(nèi)容，其加工工藝規(guī)劃如表1 所示。

圖8 NX_CAM 刀軸控制界面圖

表1 加工工藝規(guī)劃

3.3 加工程序代碼

NX_CAM 編程生成刀具路徑后經(jīng)后處理生成G 代碼［13］，限于篇幅，僅以零件1 加工程序?yàn)槔?/p>

4 加工實(shí)例及效果

程序校驗(yàn)并仿真成功后，利用CTX gamma 2000 TC 車(chē)銑復(fù)合加工中心對(duì)零件進(jìn)行加工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工的情況來(lái)看，五軸加工過(guò)程中，刀軸定位準(zhǔn)確、進(jìn)給平穩(wěn)，由于B1、C4 兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸參與聯(lián)動(dòng)，有效地解決了加工干涉問(wèn)題。同時(shí)，加工過(guò)程中，通過(guò)控制刀軸始終與曲面法向成固定夾角來(lái)保證切削平穩(wěn)，同時(shí)保證加工表面過(guò)渡自然平滑。加工完成后，零件經(jīng)3 坐標(biāo)測(cè)量?jī)x綜合檢查，各項(xiàng)精度均優(yōu)于圖紙要求，加工效果如圖9 所示。

圖9 加工效果圖

5 對(duì)比驗(yàn)證

為了對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)采取傳統(tǒng)加工方法對(duì)零件2 進(jìn)行加工，并將兩種加工方法的加工精度和效率進(jìn)行比較。

5.1 精度對(duì)比

五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工精度及傳統(tǒng)加工精度檢測(cè)記錄如表2 所示。根據(jù)其檢測(cè)結(jié)果可知五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工各項(xiàng)精度均優(yōu)于傳統(tǒng)加工各項(xiàng)精度。

表2 五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工和傳統(tǒng)加工驗(yàn)收檢測(cè)記錄表(部分)

5.2 效率對(duì)比

在傳統(tǒng)加工過(guò)程中需進(jìn)行多次裝卡，且各次裝卡之間需進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，因此加工周期比五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工的周期要長(zhǎng)得多。兩加工效率對(duì)比情況如表3 所示。

表3 五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合加工與傳統(tǒng)加工效率對(duì)比

6 結(jié)論

五軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復(fù)合制造工藝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多工種、多工序、多工步的復(fù)合加工，從而大大縮短產(chǎn)品制造工藝鏈，減少了由于裝卡的改變而導(dǎo)致的生產(chǎn)輔助時(shí)間，同時(shí)也縮短了多種工裝卡具制造周期和等待時(shí)間，顯著提高了生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，裝卡次數(shù)的減少降低了由于定位基準(zhǔn)轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的累積誤差，因此在提高加工效率的同時(shí)大大提高了加工精度，實(shí)現(xiàn)了精度、效率、成本的最佳平衡。

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