基于雙主軸走心車銑復(fù)合中心細(xì)長(zhǎng)軸同步加工技術(shù)研究

劉 旭 朱學(xué)超 顧麗亞

(蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州215104)

近年來(lái)，隨著航空航天、軍工、通訊、微特電子等行業(yè)的迅速發(fā)展，許多高精度、多批量、外形復(fù)雜的精密軸類工件的車銑復(fù)合加工給機(jī)械制造業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，這類工件中，尤其以長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)軸最難加工。由于細(xì)長(zhǎng)軸長(zhǎng)徑比大，在切削力作用下會(huì)產(chǎn)生彎曲變形與振動(dòng)，因此細(xì)長(zhǎng)軸的車銑復(fù)合加工目前仍是一個(gè)工藝難題。傳統(tǒng)的數(shù)控加工方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化的需求，制造業(yè)正在向著高效、精密、復(fù)合的方向快速發(fā)展。圖1 所示(配備自動(dòng)送料機(jī))，日本津上B0326 -Ⅱ是以車為主同時(shí)兼?zhèn)溷@孔、雕刻、銑槽、銑齒、攻絲、鉸孔、磨削等多工藝車銑復(fù)合加工功能的8 軸雙主軸走心式車銑復(fù)合中心。超長(zhǎng)的Z 軸行程，通過(guò)送料機(jī)將材料送到主軸通孔，主軸夾頭自動(dòng)鎖緊，一次送料完成工件的全部加工，無(wú)論是加工精度、加工效率都是傳統(tǒng)走刀式車銑中心無(wú)法比擬的。其強(qiáng)大的雙軸(主軸、背軸)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件主背軸不停車同步夾持，特別適合細(xì)長(zhǎng)軸工件的加工。

1 B0326 -Ⅱ雙主軸走心車銑復(fù)合中心簡(jiǎn)介

B0326 -Ⅱ走心車銑復(fù)合中心配置雙主軸雙系統(tǒng)雙通道，最大加工棒材直徑為32 mm，主背軸具有C 軸和Y 軸功能，能實(shí)現(xiàn)完全復(fù)合和超難工藝加工。該設(shè)備采用雙軸排布刀具，通過(guò)縮短排刀與對(duì)向刀具臺(tái)的刀具交換時(shí)間，多重刀具臺(tái)重疊，二次加工時(shí)直接主軸分度，主背軸同時(shí)加工，實(shí)現(xiàn)空走時(shí)間的縮短，大大提高加工效率。B0326 -Ⅱ走心車銑復(fù)合中心最主要特點(diǎn)是具有兩個(gè)中心對(duì)心的雙主軸，加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，工件由主軸向背軸自動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)主背軸同步加工;選用電導(dǎo)套模式，擁有導(dǎo)套支撐，避免工件彎曲變形，一次送料最長(zhǎng)可達(dá)320 mm，確保細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)品的同軸度。

機(jī)床控制系統(tǒng)采用了FANUC 32i 高性能數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)是集控制單元與LCD 于一體的CNC系統(tǒng)，并具有網(wǎng)絡(luò)功能，最多控制8 軸。

2 細(xì)長(zhǎng)軸工件加工工藝分析

圖2 所示為某機(jī)構(gòu)中不銹鋼細(xì)長(zhǎng)連接軸零件，毛坯為Φ22 mm 棒材，零件長(zhǎng)度L 為，最小處徑向尺寸為，長(zhǎng)徑比L/d =20，屬于細(xì)長(zhǎng)軸類工件。細(xì)長(zhǎng)軸工件由于本身長(zhǎng)徑比大、剛性差，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受切削力和離心力的影響，極易產(chǎn)生彎曲變形。由于工件的材料是具有很高硬度的不銹鋼，加工過(guò)程中切削力大、切削溫度高，有粘刀現(xiàn)象，刀具極易損壞。特別是當(dāng)工件接近尺寸要求時(shí)，工件直徑變小，徑向切削力變大，車削時(shí)振動(dòng)變大，容易產(chǎn)生彎曲和變形，表面質(zhì)量精度和圓柱度難以保證。

2.1 傳統(tǒng)加工方法

在傳統(tǒng)加工設(shè)備上加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，通常采用一夾一頂?shù)难b夾方式，這種方式散熱性較差，容易產(chǎn)生線膨脹，彎曲變形較大，加工起來(lái)有一定難度。如圖3 所示，工件裝夾時(shí)在卡盤(pán)的卡爪面墊入一開(kāi)口墊圈1，以減少卡爪和毛坯的軸向接觸長(zhǎng)度，消除安裝時(shí)的過(guò)定位現(xiàn)象。尾座頂尖將死頂尖換成彈性回轉(zhuǎn)頂尖2，使細(xì)長(zhǎng)軸在車削加工時(shí)由于切削熱的影響可以自由伸縮，盡量避免由切削熱引起的彎曲變形。車削時(shí)刀具的走刀方向采用反向車削法，消除軸向切削力引起的彎曲變形。另外在車削剛性差的細(xì)長(zhǎng)軸類工件時(shí)，還可采用跟刀架車削法增加工件的剛度，減小徑向切削力的影響。但是總的來(lái)說(shuō)，采用傳統(tǒng)加工工藝加工細(xì)長(zhǎng)軸工件效果不甚理想，工件廢品率較高。

2.2 雙主軸走心同步加工工藝

B0326-Ⅱ走心車銑復(fù)合中心集車、銑、鏜、鉆、攻絲等工序于一體，能夠?qū)⒍嗟拦ば?、多種加工集中。雙主軸控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)主軸加工完背軸自動(dòng)接料定位，主、背軸同步加工，有效解決了工件調(diào)頭二次裝夾造成的效率、精度低的問(wèn)題。如圖4 所示，加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，主軸夾持送料，電導(dǎo)套扶持支撐，背軸接料夾持，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)定位，消除切削力引起的彎曲變形，確保加工精度。主軸側(cè)刀具分度定位后，背軸和主軸對(duì)心并沿著工件C-C 處(見(jiàn)圖2)自動(dòng)夾持，無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)二次裝夾，避免了由于多次裝夾造成的定位誤差，確保工件的同軸度和同心度，執(zhí)行M221 主背軸同步指令后，背軸夾持工件按照主軸的運(yùn)動(dòng)軌跡共同運(yùn)動(dòng)，大大增加了細(xì)長(zhǎng)軸的剛性，減小徑向切削力的影響，實(shí)現(xiàn)同步加工功能。采用B0326 -Ⅱ走心車銑復(fù)合中心同步加工技術(shù)加工細(xì)長(zhǎng)軸工件，無(wú)論是加工精度還是加工效率，都大大超過(guò)了傳統(tǒng)加工方法。

結(jié)合B0326 -Ⅱ走心車銑復(fù)合中心的特點(diǎn)，安排如下加工工藝路線:

車右端面→車M14 ×1.5 螺紋外圓Φ13.8mm 長(zhǎng)度至10.5 mm→切Φ7mm2.5mm 退刀槽→車M14 ×1.5螺紋→去M14X ×1. 5 螺紋處毛刺并車外圓Φ至25 mm→背軸沿工件C -C 處夾持，主背軸同步車外圓，總長(zhǎng)度至162 mm→背軸沿工件D -D 處夾持，切斷(此時(shí)工件在背軸)→車左側(cè)M14 ×1.5 螺紋處外圓→切Φ7mm×2.5mm 退刀槽→車M14 ×1.5 螺紋→吐料。

主軸側(cè):

……

T2727;

M03S2000P1;

M08;

G00X25.0Z20.5;外圓刀定位

M510;等待背軸定位

M56;主背軸同轉(zhuǎn)

M53;主背軸轉(zhuǎn)速確認(rèn)

M511;等待背軸同步

M221;主背軸同步

M20;背軸夾緊

G04U0.5;

G73U7.0R7.0;

G73P10Q20U0.5W0F0.05;

N10G01X21.30F0.03;

X8.0Z24.5;

Z135.5;

X21.3Z139.5;

N20Z162.0;

M220;主背軸同步結(jié)束

……

背軸側(cè):

……

T9900;背軸和主軸對(duì)心

M510;等待主軸定位

M21;背軸夾頭松開(kāi)

G98G01Z5.0F3000;

M511;等待主背軸同步

M221;主背軸同步

M220;主背軸同步結(jié)束

……

3 結(jié)語(yǔ)

在雙主軸走心車銑復(fù)合中心上加工零件中，一次裝夾后可完成全部要素加工，是一種很有效的加工途徑，加工精度高，生產(chǎn)效率高，避免了傳統(tǒng)加工工藝中靠手工操作保證加工質(zhì)量的缺陷，大大降低了廢品率。利用雙主軸走心車銑復(fù)合中心同步功能加工細(xì)長(zhǎng)軸工件克服了傳統(tǒng)加工工藝難題，值得借鑒和推廣。

［1］張?jiān)屏幔挠?雙主軸雙刀塔車削中心上典型零件的加工［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(6):93 -94.

［2］朱學(xué)超.基于車銑復(fù)合中心的針閥接頭數(shù)控加工［J］.機(jī)床與液壓，2011(8):50 -52.

［3］譚文凱，劉利民，成杰. 雙主軸車削中心同步加工技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用［J］.工具技術(shù)，2011(45):95 -96.

［4］鄧力凡.基于復(fù)合加工的雙主軸車削中心關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.機(jī)械工程師，2011(2):65 -69.

［5］唐霞，謝利民.典型零件在雙主軸雙刀塔車削中心上的加工［J］. 機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010(5):172 -175.

［6］石文天，劉玉德.基于車銑復(fù)合加工的微小型結(jié)構(gòu)件工藝研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011(4):39 -41.

［7］付春林.高端車銑復(fù)合加工中心的應(yīng)用［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化，2008(4):96 -98.

［8］李德珍，李憲凱.五軸車銑復(fù)合加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］. 航空制造技術(shù)，2009(12):47 -50.

［9］廖萬(wàn)榮. 車銑復(fù)合機(jī)床應(yīng)用初探［J］. 航空制造技術(shù)，2008(5):47-49.

［10］張曙.從車銑復(fù)合到完整加工［J］.新技術(shù)新工藝，2004(8):2 -5.