角度動力頭在五坐標(biāo)加工中心的應(yīng)用

紀(jì)鑫+范大宇+林紅軍

摘要：隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的零、組件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，特別是機(jī)匣類零件已經(jīng)從原有的外型凸臺結(jié)構(gòu)向零件內(nèi)腔過渡，形成內(nèi)型凸臺與外型凸臺相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。伴隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、多樣化、內(nèi)腔化，對數(shù)控加工的可達(dá)性要求也越來越高，進(jìn)而角度動力頭與五坐標(biāo)加工中心相配合使用便逐步得以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空產(chǎn)品 機(jī)匣 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 加工中心 角度頭

1 角度動力頭的作用

角度動力頭的主要作用是將某機(jī)床主軸方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過角度動力頭內(nèi)的錐齒輪相互嚙合，從而改變與原主軸成一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并傳遞相應(yīng)的扭矩，且通過角度動力頭的相應(yīng)幾何尺寸，使得機(jī)床主軸的動力輸出在某方向上得以延長，增加機(jī)床主軸的可達(dá)性，提高機(jī)床的可加工范圍，增強(qiáng)機(jī)床的加工能力。

2 角度動力頭與五坐標(biāo)加工中心的連接

2.1 硬件連接

角度動力頭可以看作特殊的銑削刀具，故與機(jī)床主軸連接的刀柄應(yīng)與相應(yīng)的機(jī)床主軸配置刀柄進(jìn)行配合使用。目前，五坐標(biāo)加工中心的刀具刀柄接口一般采用ISO50圓錐刀柄，較為高級的機(jī)床也有采用HSK接口的刀柄。根據(jù)不同的主軸接口需選用相應(yīng)刀柄接口的角度動力頭。然而，角度動力頭需要與機(jī)床主軸保持相對的固定關(guān)系（即角度動力頭應(yīng)跟隨五坐標(biāo)加工中心主軸做相應(yīng)擺動，但與主軸的相對位置關(guān)系保持不變），故需要自制一個可以固定角度動力頭的裝置，此裝置對角度動力頭在與機(jī)床主軸連接過程中主要限制角度動力頭主體的旋轉(zhuǎn)，使其在加工過程中避免因切削力及切削振動等因素造成的相對位置變化。

2.2 軟件連接

目前國際主流五坐標(biāo)加工中心操作系統(tǒng)多以西門子公司的Sinumerik_840D系統(tǒng)及海德漢公司的Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)為主，因其系統(tǒng)的強(qiáng)大功能及強(qiáng)大的穩(wěn)定性被大多五坐標(biāo)加工中心生產(chǎn)廠商所青睞。

以Sinumerik_840D系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)對角度動力頭有專門的定義。該系統(tǒng)將角度動力頭定義為一種刀具，并根據(jù)角度動力頭的特點(diǎn)，定制屬于該刀具特有的刀具長度補(bǔ)償表格。

表1 刀具長度補(bǔ)償表

其中，Geometry代表刀具幾何長度，Wear代表刀具磨耗，Base代表基本長度補(bǔ)償，Length代表不同幾何軸的方向上的長度補(bǔ)償。以90°動力頭為例，當(dāng)該動力頭在G18加工平面工作時，Length 1代表坐標(biāo)軸Y方向上的長度補(bǔ)償，Length 2 代表坐標(biāo)軸X方向上的長度補(bǔ)償，Length 3代表坐標(biāo)軸Z方向上的長度補(bǔ)償。根據(jù)角度頭的設(shè)計(jì)尺寸及角度頭上所固定的刀具長度情況分別在各自對應(yīng)的位置輸入相應(yīng)的長度，進(jìn)而完成角度頭在機(jī)床中的軟件連接設(shè)定。

3 角度動力頭在五坐標(biāo)加工中心的應(yīng)用實(shí)例

3.1 零件結(jié)構(gòu)

某轉(zhuǎn)包零件系美國GE航空公司飛機(jī)發(fā)動機(jī)一號軸承支撐，該零件材料為AMS5659，為不銹鋼類合金，質(zhì)量較輕。該零件系機(jī)匣類零件，零件外側(cè)分布五處凸臺，零件內(nèi)腔包含兩處 .375-16UNJC-3B螺紋，并要求在該螺紋孔上端面劃窩，深度為0.508±0.254mm。其中一處螺紋孔位于零件上端面以下352.044mm，與水平成10.218°，該零件上端面開口直徑僅為Φ922mm。該零件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致五坐標(biāo)加工中心主軸可達(dá)性受到制約，無法滿足加工要求。

3.2 五坐標(biāo)加工中心簡介

五坐標(biāo)加工中心根據(jù)旋轉(zhuǎn)方式分類分為雙擺頭式五坐標(biāo)加工中心、雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心、一擺頭一轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心；根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方式分類分為正交旋轉(zhuǎn)五坐標(biāo)加工中心、非正交旋轉(zhuǎn)五坐標(biāo)加工中心。

根據(jù)我廠實(shí)際情況，我廠現(xiàn)有DMU125P五坐標(biāo)加工中心，該加工中心是德瑪吉公司主流產(chǎn)品，工作行程1250mm*880mm*800mm。該加工中心是非正交、一擺頭一轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心，含有X、Y、Z三個線性軸及B、C兩個回轉(zhuǎn)軸，且滿足直角笛卡爾坐標(biāo)系，可以五軸聯(lián)動加工零件。該設(shè)備刀具接口采用JT50錐通用接口。

3.3 角度動力頭簡介

我廠使用的角度動力頭是奔馳公司90°直角彎頭，接口采用JT50錐刀柄與DMU125P五坐標(biāo)加工中心接口相連接。該彎頭沿主軸方向有效長度為270.05mm，與之垂直方向有效長度為162.76mm。

3.4加工過程

1）采用“彎頭限位塊”將角度動力頭與DMU125P五坐標(biāo)加工中心主軸進(jìn)行連接、固定，使角度動力頭與機(jī)床相對位置進(jìn)行固定。

2）由于DMU125P五坐標(biāo)加工中心為非正交45°一擺頭、一轉(zhuǎn)臺式加工中心，故需通過實(shí)驗(yàn)確定彎頭刀尖方向，經(jīng)論證將角度動力頭刀尖指向機(jī)床X軸正方向可加工該結(jié)構(gòu)零件，故數(shù)控加工平面應(yīng)采用Y/Z加工平面（即G19平面），對角度動力頭與X軸進(jìn)行“拉直”找正，跳動不大于0.01mm，鎖緊定位螺釘。

3）確定加工平面后根據(jù)G19將角度動力頭各長度數(shù)據(jù)輸入刀具尺寸表中。

注意，由于彎頭刀尖指向X+，與機(jī)床坐標(biāo)系方向相同，故L3、L2應(yīng)輸入負(fù)值。

4）對數(shù)控程序進(jìn)行處理。采用西門子系統(tǒng)自帶的框架平移及旋轉(zhuǎn)功能將加工坐標(biāo)系X軸與孔軸線重合，使坐標(biāo)原點(diǎn)置于螺紋孔起點(diǎn)，進(jìn)而完成數(shù)控程序編制簡單化。

5）運(yùn)行數(shù)控程序，完成零件加工。

4 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

通過對該類零件的加工研究，開拓一種新的加工思路，即角度動力頭在五坐標(biāo)加工中心的應(yīng)用。采用這種方法，可以進(jìn)一步提高五坐標(biāo)加工中心的加工可達(dá)性，擴(kuò)大五坐標(biāo)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域，使五坐標(biāo)加工中心可以最大化的發(fā)揮其柔性制造單元的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

西門子840D操作說明書 西門子（中國）