基于曼德里加工中心的環(huán)形零件偏心加工方法研究

中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 俸躍偉

一、引言

目前在國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)購置了許多進口的高級數(shù)控機床，新的數(shù)控設(shè)備具備比較先進的加工功能模塊，但是國內(nèi)對先進數(shù)控機床的應(yīng)用還停留在比較低級的階段，很多都只應(yīng)用了該類設(shè)備的最基本的功能，導(dǎo)致?lián)碛邢冗M設(shè)備而不能發(fā)揮其作用，降低了這些設(shè)備的利用率和加工效率。如果能夠?qū)@些設(shè)備的功能進行開發(fā)，有效利用這些進口數(shù)控機床的高級功能，則既可以降低機床操作和零件加工的難度，又可以較好地提升設(shè)備的有效使用時間，降低設(shè)備折舊費率，從而充分的發(fā)揮其價值。

二、環(huán)形零件通用加工方法

航空發(fā)動機主要零部件以環(huán)形件為主，且外型復(fù)雜，該類環(huán)形零件銑加工時通常使用帶旋轉(zhuǎn)工作臺的四軸以上的加工中心，即機床具有XYZ三個直線軸和一個旋轉(zhuǎn)工作臺加工設(shè)備。采用該類設(shè)備對發(fā)動機環(huán)形零件進行銑加工時，通常的做法是將零件裝夾于工作臺中心，即在裝夾前對零件進行找正，使零件的回轉(zhuǎn)中心與機床工作臺的旋轉(zhuǎn)中心重合，如圖1所示，在加工過程中，當(dāng)機床工作臺旋轉(zhuǎn)時，零件隨工作臺同步旋轉(zhuǎn)而不會產(chǎn)生偏心，利用工作臺旋轉(zhuǎn)，即可完成環(huán)形零件上各個型面的加工。該方法編制數(shù)控加工程序簡單，加工過程非常直觀，但是對操作工人的技能水平要求較高，需要裝夾零件前對零件位置進行找正，保證零件回轉(zhuǎn)中心與工作臺旋轉(zhuǎn)中心同心，并且零件找正過程增加了加工輔助時間，降低設(shè)備的實際利用率。

圖1 環(huán)形工件常用裝夾方式示意圖

三、MANDELLI1600U機床基本參數(shù)和功能

MANDELLI1600U是立臥轉(zhuǎn)換式四坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D。該機床配備兩個工作臺，可實現(xiàn)機內(nèi)對刀模塊，能在機床內(nèi)部完成刀具參數(shù)測量并進行刀具破損監(jiān)控，可實現(xiàn)刀具的實時測量和刀具狀態(tài)監(jiān)控。該設(shè)備還配備了雷尼紹在機測量模塊，利用西門子840D控制系統(tǒng)實現(xiàn)機床測量的功能，利用該功能不僅可以完成被加工零件的自動測量，還可實現(xiàn)對工件的加工坐標系自動定位和加工參數(shù)補償，從而實現(xiàn)零件與工作臺的不同心加工，節(jié)省大量的加工輔助準備時間，大大提高機床的利用率。

四、偏心加工方法研究

1、偏心加工關(guān)鍵問題

當(dāng)零件與機床旋轉(zhuǎn)工作臺不同心時，工作臺旋轉(zhuǎn)后零件的各個點位相對于機床坐標系發(fā)生變化，因此，要實現(xiàn)偏心加工的關(guān)鍵問題，要解決3方面關(guān)鍵問題：（1）確定零件回轉(zhuǎn)中心與工作臺旋轉(zhuǎn)中心的初始位置關(guān)系。（2）確定零件0°位置與機床0°位置的角向關(guān)系。（3）工作臺旋轉(zhuǎn)后零件與工作臺間新的位置關(guān)系如何轉(zhuǎn)換。

2、零件在工作臺上的裝夾

由于MANDELLI1600U配備了兩個工作臺，因此在一個工作臺工作的情況下，可在機床外部在另一個工作臺上進行零件的裝夾，裝夾時無需使零件與工作臺完全同心，只要零件能在工作臺上穩(wěn)定裝夾即可。為方便零件后續(xù)快速確定角向位置，因此裝夾時應(yīng)將零件角向標記位置（如角向孔）置于Z軸正向，如圖2所示。

圖2 環(huán)形工件偏心裝夾示意圖

3、加工坐標原點的確定

因為零件裝夾時沒有精確找正，角向位置也是通過目視確定，因此零件的回轉(zhuǎn)中心與機床的位置關(guān)系不固定，零件的0°位置與機床的角向關(guān)系也不準確。這種情況下就需要使用機床的測量功能，首先利用機床測頭確定工件的角向0°，將0°位置精確旋轉(zhuǎn)至Z軸正向；再在工作臺旋轉(zhuǎn)的情況下，利用機床內(nèi)部測頭檢測零件環(huán)形壁上各點位置，再通過機床系統(tǒng)運算功能，自動換算出零件回轉(zhuǎn)中心與機床坐標系之間的位置關(guān)系，并將回轉(zhuǎn)中心的X、Y初始坐標分別記入系統(tǒng)變量R1和R2。

4、旋轉(zhuǎn)位置追蹤技術(shù)

由于零件回轉(zhuǎn)中心與機床工作臺不同心，因此，雖然利用機床測量功能確定了零件回轉(zhuǎn)中心與機床的初始位置關(guān)系，但是，當(dāng)機床工作臺旋轉(zhuǎn)之后，零件上的各點相對于機床坐標系會發(fā)生變化，因此需要引入旋轉(zhuǎn)追蹤點技術(shù)。為實現(xiàn)將零件偏心轉(zhuǎn)動時的刀具跟隨零件坐標變換，首先必須歸納出零件回轉(zhuǎn)中心坐標點位旋轉(zhuǎn)追蹤的數(shù)學(xué)算法。建立的數(shù)序模型，如圖3所示，需要同時滿足以下五點。

（1）建立零件的某一狀態(tài)下（工作臺某一點放置、加工角向某一點位置）的第一切削點與第二切銑點空間二維幾何關(guān)系。

（2）第一切銑點與第二切削點的幾何關(guān)系是否適用于第三切削點與第一切削點的空間二維幾何關(guān)系。

（3）待加工區(qū)域角向在(0°，-180°)與在(-180°,-0°)范圍內(nèi)的二維幾何關(guān)系是否一致。

（4）零件在工作臺二維平面的X-Z坐標系下的任意象限內(nèi)的二維幾何關(guān)系是否一致。

（5）最終的二維幾何算法是否可以體現(xiàn)后一點對前一點的空間方向性位置關(guān)系。

圖3 基本數(shù)學(xué)幾何模型

根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系圖和數(shù)學(xué)算法要求，歸納出坐標的數(shù)學(xué)變換公式：

將歸納的數(shù)學(xué)公式編輯為數(shù)控加工子程序，在主程序中，機床每次旋轉(zhuǎn)工作臺之前都先調(diào)用該坐標追蹤子程序，如圖4所示，對加工 程序加工點位進行的內(nèi)部計算，就可實現(xiàn)對被加工部位追蹤控制和正確加工。

圖4 追蹤子程序調(diào)用

五、結(jié)語

航空發(fā)動機零件型面復(fù)雜，因此使用了較多的高級數(shù)控加工中心，該類先進的數(shù)控設(shè)備一般都具有較多先進的功能模塊，掌握這些先進功能可以進一步提高設(shè)備的使用價值。通過開發(fā)MANDELLI1600U的偏心加工功能，在機床加工運行過程時即可以完成加工前準備工作，可以實現(xiàn)工作臺的直接切換加工且無需人工精確找正，大大提高了該設(shè)備利用率，通過機床測量代替人為找正零件，降低了工人操作難度。