加工中心實(shí)現(xiàn)多方向定位加工技術(shù)研究

林廣平

摘要：在《中國(guó)制造2025》明確的十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域中，高端多軸數(shù)控機(jī)床是重點(diǎn)發(fā)展的新一代技術(shù)及高端制造裝備，其運(yùn)用是強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力、提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。

關(guān)鍵詞：加工中心；A軸動(dòng)力頭；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；多方向定位加工

高端制造裝備應(yīng)用目前主要以五軸加工中心為主，其工藝特點(diǎn)為加工工序高度集中，可在一次裝夾中完成多個(gè)面的加工工序，減少裝夾和校正次數(shù)，避免因裝夾和校正造成的誤差，保證加工精度。同時(shí)，五軸加工中心還具備三軸加工中心沒(méi)有的高柔性、高精度、高集成性及全面加工能力，使復(fù)雜零件的加工變得更加容易，縮短加工周期。但是，目前一臺(tái)五軸加工中心的價(jià)格是普通加工中心的10倍左右，這對(duì)中小型企業(yè)而言，配備五軸加工中心具有一定的經(jīng)濟(jì)壓力[1]。文章以中小型企業(yè)現(xiàn)有裝備為基礎(chǔ)，就解決新型高精產(chǎn)品的加工問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

一、多軸加工中心特點(diǎn)分析

（一）多軸加工中心結(jié)構(gòu)分析

五軸聯(lián)動(dòng)加工中心大多是“3+2”的結(jié)構(gòu)，即x、y、z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸加上分別圍繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的a、b、c三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸中的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成。按兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合形式來(lái)分，大體有雙轉(zhuǎn)臺(tái)式、轉(zhuǎn)臺(tái)加上擺頭式和雙擺頭式三種形式。這三種結(jié)構(gòu)分別決定了機(jī)床的規(guī)格和加工對(duì)象。其中，雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床在運(yùn)作時(shí)，工件需要在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，因此，只適合加工小型零件，如小型整體渦輪、葉輪、小型精密模具等。雙軸臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，因此也是數(shù)量最多的一類(lèi)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，如圖1所示。

（二）多軸加工工藝分析

多軸加工是在三軸加工中心的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，從而實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)軸輔助定向的加工工藝。多軸聯(lián)動(dòng)加工可同時(shí)實(shí)現(xiàn)1～3個(gè)直線軸和1～2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的聯(lián)動(dòng)切削加工，常用于空間多變、復(fù)雜形面的切削，如葉輪、葉片等復(fù)雜形面零件。多軸聯(lián)動(dòng)加工增加了旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)的頻率，擺動(dòng)中工裝夾具及工件的位置也會(huì)發(fā)生變化，提高了切削過(guò)程中發(fā)生碰撞的概率。除此以外，伴隨旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，各項(xiàng)切削參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致切削效率和加工質(zhì)量得不到保證。因此，在多軸加工中，除特殊零件（如葉輪）采用多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行加工外，更多地使用多軸定向加工工藝，來(lái)提升多軸加工效率，保證切削參數(shù)的穩(wěn)定性，提高零件加工質(zhì)量。多軸定向加工利用兩旋轉(zhuǎn)軸（AB或AC）改變工件加工位置，通過(guò)三軸或四軸加工工藝完成對(duì)工件切削加工的工藝方案。多軸定向加工路徑編寫(xiě)相比多軸聯(lián)動(dòng)加工簡(jiǎn)單，它只需在原三軸刀路編寫(xiě)的基礎(chǔ)上改變加工刀軸即可實(shí)現(xiàn)，編程操作簡(jiǎn)單，加工過(guò)程更易于控制和掌握[2]。多軸定向加工在保持傳統(tǒng)三軸加工優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也展現(xiàn)了多軸機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，是理想的數(shù)控加工工藝方法。

二、實(shí)現(xiàn)多方向定位加工結(jié)構(gòu)分析

普通加工中心在機(jī)械加工行業(yè)已基本普及，并具有一定的加工能力。受裝備以及工藝的限制，多數(shù)企業(yè)仍采用傳統(tǒng)工藝方案，難以勝任工序集中、高精度要求的產(chǎn)品加工。想要在現(xiàn)有設(shè)備上尋找突破口，可參考AC五軸加工中心結(jié)構(gòu)，通過(guò)外部裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸定向加工工藝，解決中小型企業(yè)在高復(fù)雜產(chǎn)品加工中的難題。如圖1所示，AC軸結(jié)構(gòu)五軸加工中心把工作臺(tái)設(shè)計(jì)成可繞X軸和Z軸雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，取代普通加工中心工作臺(tái)僅能在固定坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)雙向直線移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了產(chǎn)品加工的范圍。

目前，不少企業(yè)配備了可旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭A軸，它價(jià)錢(qián)便宜，僅是機(jī)床價(jià)格的1/20左右，對(duì)各中小型企業(yè)而言不構(gòu)成經(jīng)濟(jì)壓力。如圖2所示，把旋轉(zhuǎn)動(dòng)力頭應(yīng)用于機(jī)床結(jié)構(gòu)改造中，將工作臺(tái)面上移到動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)中心，將增加一個(gè)可使工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的A軸。機(jī)床增加可繞X軸旋轉(zhuǎn)工作平臺(tái)，可滿足工件在Y軸向上所有部位的加工要求。如果工件加工部位較多，X軸向存在加工部位，可通過(guò)調(diào)整裝夾方案或增加工裝夾具來(lái)滿足工件所有部位的加工要求。新的結(jié)構(gòu)改變了傳統(tǒng)的三軸加工工藝方案，把加工工序集中起來(lái)，借助旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以及工裝夾具實(shí)現(xiàn)了工件多方向的快速定位加工，減少了工件裝夾與校正次數(shù)，避免了因操作失誤而導(dǎo)致加工工件質(zhì)量的下降。并且這種結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的中小批量生產(chǎn)需求，有效解決了中小型企業(yè)面臨的復(fù)雜銑削類(lèi)零件的加工難題，同時(shí)也保證了中小企業(yè)在高端設(shè)備發(fā)展背景下仍具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。

三、多方向定位加工的應(yīng)用與操作

（一）多方向定位加工設(shè)置與編程

在普通加工中心中，實(shí)現(xiàn)多方向定位加工主要借助裝備來(lái)改變加工位置。由于不具備五軸加工中心的刀尖跟隨功能（RTCP），在加工位置發(fā)生改變時(shí)，需要人為地對(duì)加工位置原點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，并要求對(duì)應(yīng)CAM軟件的編程原點(diǎn)。這種多向定位加工工藝在改變加工位置時(shí)，需要重新給定加工原點(diǎn)，并在機(jī)床G54-G59工件坐標(biāo)系中進(jìn)行設(shè)置。

采用常規(guī)三軸加工編程。編程時(shí)，要求編程原點(diǎn)必須與加工原點(diǎn)對(duì)應(yīng)。對(duì)不同加工位置進(jìn)行編程時(shí)，無(wú)需隨加工位置的改變調(diào)整加工模型，可相應(yīng)地在模型加工位置增加與機(jī)床對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系，采用常規(guī)三軸加工編程方法編寫(xiě)加工路徑，編程操作與常規(guī)操作相同，不改變模型位置，各加工部位路徑不受影響，整個(gè)工件加工編程更易于掌控。

（二）多方向定位加工操作與應(yīng)用

通過(guò)對(duì)普通加工中心的改造以及工裝輔助，可實(shí)現(xiàn)加工工件多方向定位加工。如圖3所示，加工工件、坯料是精鑄而成的，著色部位為該工件加工位置，分布在多個(gè)加工方向。如果采用普通加工中心加工該工件，按加工位置方向劃分，至少需要安排5次裝夾才能完成加工，并且每次裝夾對(duì)工件的找正、分中、對(duì)刀等都存在一定的難度。因此，普通加工中心難以勝任此類(lèi)產(chǎn)品的加工要求。當(dāng)增加可繞X軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)后，可通過(guò)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)直接改變工件加工位置。工件在加工時(shí)，采用如圖3所示的工裝裝夾，無(wú)需拆裝，可在一次裝夾中完成所有位置的加工，有效減少了裝夾次數(shù)，避免了因多次裝夾產(chǎn)生的誤差。同時(shí)，通過(guò)增加可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)集中加工工序，能有效解決受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)影響而無(wú)法在二次裝夾中找到可靠定位和校正基準(zhǔn)的難題，充分體現(xiàn)了多軸加工工藝的優(yōu)勢(shì)，完成了原加工中心無(wú)法完成的零件加工，較好地提升了普通加工中心對(duì)產(chǎn)品加工的適應(yīng)性。

四、結(jié)語(yǔ)

目前，絕大部分制造企業(yè)具備多方向定位加工機(jī)床結(jié)構(gòu)改造條件。機(jī)床結(jié)構(gòu)改造后，雖不能完全充當(dāng)多軸加工設(shè)備使用，但能解決中小型企業(yè)復(fù)雜銑削類(lèi)零件加工時(shí)遇到的難題，對(duì)沒(méi)有能力購(gòu)置高端設(shè)備的中小型企業(yè)來(lái)說(shuō)，不失為保持競(jìng)爭(zhēng)力的好辦法。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒偉全.模具多軸數(shù)控加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（31）.

[2]楊瑞奇.簡(jiǎn)易三軸數(shù)控機(jī)床四軸化改造[D]，深圳大學(xué)，2016.