五軸機(jī)床框架類(lèi)零件的加工

■ 航空工業(yè)成都凱天電子股份有限公司 （四川成都 610091） 李 浪 易 翔 鄧海軍 肖水濱

五軸機(jī)床加工精度檢測(cè)及優(yōu)化一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，成為影響產(chǎn)品加工質(zhì)量及效率的關(guān)鍵。其中對(duì)機(jī)床加工精度的影響因素中，靜態(tài)精度檢測(cè)與補(bǔ)償已有大量標(biāo)準(zhǔn)，而動(dòng)態(tài)精度由于受機(jī)械和控制系統(tǒng)兩方面影響，其檢測(cè)和優(yōu)化則一直未能得到有效解決。

在常見(jiàn)的精度檢測(cè)方法中，直線度、垂直度等基本的精度檢測(cè)只能反映機(jī)床靜態(tài)精度，而數(shù)控系統(tǒng)中常見(jiàn)的螺距補(bǔ)償、垂度補(bǔ)償?shù)纫仓饕槍?duì)機(jī)床靜態(tài)誤差?；谠囼?yàn)件切削的樣件法只能部分反映機(jī)床動(dòng)態(tài)精度，無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)精度調(diào)整提出有效建議，且許多試件試切合格的機(jī)床，加工復(fù)雜零件時(shí)依然存在明顯問(wèn)題。

另一方面，傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，通?；诮?jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)的方法制定加工工藝，保證零件的加工精度，但周期長(zhǎng)，成本高。若能在加工前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)零件的加工精度，則可替代試切環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，降低成本；還可以用于指導(dǎo)工藝方案的優(yōu)化，合理選擇加工設(shè)備和加工參數(shù)，在保證零件加工精度的同時(shí)使制造資源得到最大化利用，從而提高生產(chǎn)效率；本文通過(guò)選取典型的航空框架類(lèi)零件進(jìn)行加工分析，通過(guò)對(duì)運(yùn)用五軸數(shù)控加工中心加工產(chǎn)品進(jìn)行提煉，總結(jié)出了關(guān)于航空框架類(lèi)產(chǎn)品的加工工藝方法及五軸數(shù)控加工中心的誤差補(bǔ)償和在線檢測(cè)的應(yīng)用。

1. 框架類(lèi)零件的加工分析

鑄造鋁合金材料因其良好的抗腐蝕性、流動(dòng)性和切削加工性能，適合鑄造薄壁、形狀復(fù)雜和強(qiáng)度高的框架等各類(lèi)零件。因其切削加工性好，不粘刀，不易形成積屑瘤，易獲得較好的表面粗糙度，廣泛用于航空航天領(lǐng)域。

（1）零件加工難點(diǎn)分析 如圖1所示，該零件是飛機(jī)上的慣導(dǎo)機(jī)箱外殼，屬于框架類(lèi)鑄件，材料為鑄造鋁合金（ZL101）。

圖1 外框三維數(shù)模

零件外形尺寸為408.5mm×377mm×219.5mm，其尺寸精度和形狀精度要求高，其主要尺寸精度和形狀精度參見(jiàn)圖2中被圈尺寸，各尺寸及形狀精度標(biāo)注如圖2所示。

圖2 外框尺寸（局部）

外框外形尺寸408.5m m×377mm×219.5mm，較常規(guī)加工零件大，因此其裝夾固定是難點(diǎn)之一。當(dāng)前機(jī)床所配套的角鐵、方箱均不能滿足零件的裝夾。外框外形以不規(guī)則曲面為主，同樣不便于裝夾定位。外框兩組相交垂直孔系孔徑大、要求高，需要采用鏜的方式加工；同時(shí)，孔與孔之間間距均在350mm以上，相距遠(yuǎn)，三軸加工，對(duì)裝夾要求極高，很難保證。

通過(guò)分析，該零件壁厚較厚，不屬于薄壁零件，加工變形相對(duì)較小，但是受到零件外形尺寸大的影響，即使相對(duì)較小的變形量在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離尺寸的放大后，對(duì)零件加工精度的影響仍然是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。不僅如此，高精度的幾何公差要求諸如垂直度、位置度極易受到環(huán)境、操作、裝夾定位和夾緊力等各方面的影響，采用多次裝夾、找正補(bǔ)償?shù)姆绞?，質(zhì)量不易控制，周期還很長(zhǎng)。

（2）測(cè)量難點(diǎn)分析 外形尺寸408.5mm×377mm×219.5mm，可選擇行程為600mm的測(cè)高儀直接測(cè)量，而尺寸（366±0.02）mm、（372±0.02）mm則無(wú)法直接測(cè)量，若通過(guò)尺寸轉(zhuǎn)換測(cè)量，則誤差較大，不能滿足尺寸公差±0.02mm的要求。幾何公差普通量具及測(cè)高儀均無(wú)法測(cè)量。所以，尺寸（366±0.02）mm、（372±0.02）mm以及各幾何公差均需三坐標(biāo)計(jì)量中心計(jì)量。

三坐標(biāo)計(jì)量中心可以解決零件的測(cè)量，但是受到三坐標(biāo)測(cè)量環(huán)境的制約，無(wú)法將三坐標(biāo)直接搬到現(xiàn)場(chǎng)配套加工測(cè)量零件。另一方面，加工一件，測(cè)量一件，存在重復(fù)裝夾增大裝夾定位誤差引起尺寸變化、零件質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，而且對(duì)生產(chǎn)效率影響較大，無(wú)法連續(xù)作業(yè)。

2. 外框的五軸加工工藝分析

外框的五軸加工工藝分析如下所述。

（1）DMU 80五軸加工中心簡(jiǎn)介 D M U 80是一臺(tái)配備Heidenhain TNC 530數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)口高性能高速五軸五聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床，可以同時(shí)控制X、Y、Z、B、C 共5個(gè)坐標(biāo)軸。該五軸加工中心為全閉環(huán)控制，采用德國(guó)Heidenhain公司的直線光柵尺（X、Y、Z）和圓光柵（B軸、C軸）作為位置反饋元件。機(jī)床X、Y、Z軸為直線軸，分辨率為0.001mm。B軸和C軸為旋轉(zhuǎn)軸，連續(xù)分度全閉環(huán)控制時(shí)，其最小分度數(shù)可達(dá)到0.001°。該機(jī)床的X、Y、Z軸的定位精度可達(dá)0.008mm?？梢栽谝慌_(tái)機(jī)床上利用一次裝夾完成大部分或全部切削加工，以保證工件的位置精度，提高加工效率。五軸數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用表明，其加工效率與兩臺(tái)三軸機(jī)床相當(dāng)。

五軸數(shù)控加工中心的發(fā)展應(yīng)用成為衡量一個(gè)企業(yè)先進(jìn)加工制造的重要參考條件。分廠引進(jìn)五軸數(shù)控加工中心，主要用于科研生產(chǎn)和外部市場(chǎng)的新品開(kāi)發(fā)，并成立專門(mén)的五軸加工技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行多方面技術(shù)攻關(guān)和研究，參加各類(lèi)學(xué)習(xí)、展覽和比賽，取得了豐碩成果。尤其是在五軸加工中心機(jī)床誤差補(bǔ)償、機(jī)床在線檢測(cè)等方面。

（2）外加工裝夾分析 通過(guò)前文的外框加工難點(diǎn)分析可知，外框外形結(jié)構(gòu)特殊，以不規(guī)則曲面為主，無(wú)法進(jìn)行定位裝夾。通過(guò)在外框上增加四處用于裝夾定位的工藝凸臺(tái)，有效解決了零件的裝夾難題。如圖3所示。

圖3 外框工藝凸臺(tái)

同時(shí)，通過(guò)在工藝凸臺(tái)上加工四處安裝螺釘?shù)倪^(guò)孔，可將零件安裝到基礎(chǔ)板上。使得零件裝夾可靠，定位準(zhǔn)確。

（3）加工過(guò)程分析 在多坐標(biāo)加工中，由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，機(jī)床各軸線性插補(bǔ)的合成運(yùn)動(dòng)會(huì)使實(shí)際刀位運(yùn)動(dòng)偏離編程直線，該誤差為非線性加工誤差。在五軸機(jī)床加工過(guò)程中，非線性誤差不可避免。因此，必須對(duì)非線性誤差加工控制，通過(guò)誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ蛊鋵?duì)產(chǎn)品加工的影響減小到最小。

1）加工準(zhǔn)備。通過(guò)3 D QUICKSET功能應(yīng)用，可以快速檢測(cè)和補(bǔ)償加工區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)特性和旋轉(zhuǎn)精度。①用標(biāo)準(zhǔn)塊校準(zhǔn)探頭長(zhǎng)度與工作臺(tái)面間的機(jī)械坐標(biāo)。②用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)檢測(cè)探頭在主軸上是否跳動(dòng)，（如跳動(dòng)超過(guò)0.004mm要對(duì)探頭下四個(gè)螺釘進(jìn)行調(diào)整）。③在M D I里面打開(kāi)用389循環(huán)（CYCLE DEF-翻頁(yè)-DECELMACHO-389）。④通過(guò)編輯→MOD→輸入密碼807667→程序管理→enter→KINEMATIK→URSPRUNG查看并在MDI模式下執(zhí)行m301確認(rèn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

Q320=25.0026（表示3D QUICKSET 圓球的直徑）；Q321=1，做B軸校正；Q322=1，做C軸校正；Q324=角度；Q325做Z軸校正；Q326 表示校正值是否寫(xiě)入機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)里面。

此類(lèi)方法可測(cè)出非線性誤差，并進(jìn)行修正，可顯著地減小加工的非線性誤差，使線性誤差控制在可接受范圍內(nèi)，使其對(duì)產(chǎn)品加工的影響降到最小。具體如圖4～圖7所示。

圖4 校正接觸式測(cè)頭

2）加工過(guò)程。①測(cè)量零件X，Y，Z，端面到中心的距離并做記錄。②用M8螺釘把零件拉緊在墊高板上，用百分表拉直工藝凸臺(tái)。③找正三個(gè)端面，偏移測(cè)出的值，把坐標(biāo)中心設(shè)在四孔連線上（中心設(shè)在四孔連線上，目的是為了后面編制檢測(cè)程序方便計(jì)算）。④在程序自動(dòng)運(yùn)行模式下， 通過(guò)3D測(cè)頭運(yùn)用CYCLE 421、CYCLE 4217循環(huán)，檢測(cè)零件坐標(biāo)中心是否在四孔連線，如有差異，微調(diào)坐標(biāo)系里面的值，把零件位置確定。⑤選用三刃10mm立銑刀，只對(duì)零件端面進(jìn)行加工，側(cè)面留余量0.1mm，切削參數(shù)選用轉(zhuǎn)速n=2 400r/min、進(jìn)給速度vf=6 0 0 m m/m i n、進(jìn)給量fz=0.083mm/z。⑥調(diào)用鏜刀對(duì)零件孔徑進(jìn)行加工，留余量0.3mm（粗加工留余量0.6mm，鏜孔加工可以起到修正偏心，獲得精確的孔位置，取得高精度的圓度，圓柱度和表面粗糙度，鏜刀材料為高速鋼，會(huì)出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，所以切削用量不宜過(guò)高，一般深度0.1～0.5mm，速度12～30mm/min，進(jìn)給量0.05～0.3mm/z，vf＝nzfz，選用切削參數(shù)n=240r/m i n、vf=24mm/min）。⑦調(diào)用檢測(cè)程序?qū)α慵M(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果通過(guò)CYCLE DEF7.0 CYCLE DEF7.1、CYCLE DEF7.2或者刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償進(jìn)行微調(diào)。⑧對(duì)零件端面、孔徑進(jìn)行加工 ，最終保證零件加工尺寸。

圖5 B軸檢測(cè)

圖6 C軸的檢測(cè)

圖7 機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)界面

（4）外框零件在線檢測(cè)分析 步驟：①調(diào)用3D測(cè)頭用宏程序421循環(huán)，分別對(duì)四個(gè)孔進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完后會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，對(duì)話框里會(huì)顯示孔徑的大小，空的現(xiàn)在位置與理論位置之間的差異值是多少。如果現(xiàn)在位置不能滿足圖樣要求可通過(guò)CYCL DEF7.0、CYCL DEF7.1、CYCL DEF7.2、 CYCL DEF7.3進(jìn)行微調(diào)。②調(diào)用3D測(cè)頭用宏程序427循環(huán)，對(duì)零件的端面進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量的現(xiàn)有位置，如有差異，通過(guò)刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償進(jìn)行微調(diào)。

程序如圖8、圖9所示。

圖8 X 、Y方向測(cè)量程序

圖9 Z方向測(cè)量程序

通過(guò)3D在線測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)的差異對(duì)比：孔徑0.005mm，空間尺寸0.0 1 m m，長(zhǎng)度0.01mm，能保證零件加工精度。

在線測(cè)量分為兩種情況，一種為直接調(diào)用基本宏程序檢測(cè)。而另一種則要自己開(kāi)發(fā)宏程序庫(kù)，借助計(jì)算機(jī)，編制系統(tǒng)隨時(shí)生成檢測(cè)程序，然后傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。兩者的區(qū)別在于數(shù)控系統(tǒng)是否與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相互通信。測(cè)量系統(tǒng)由接觸式測(cè)頭、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)組成，接觸式測(cè)頭具有造價(jià)低、容許超程量大、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、工作安全性高、抗干擾能力強(qiáng)和在機(jī)床環(huán)境中耐用和可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中得到了普遍應(yīng)用。利用程序控制接觸式測(cè)頭對(duì)工件進(jìn)行在線檢測(cè)測(cè)量，可方便工件的安裝調(diào)整，大大縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；可在加工過(guò)程中進(jìn)行尺寸測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行加工，確保質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率。基于調(diào)用宏程序控制的五軸數(shù)控加工中心在線檢測(cè)已在科研生產(chǎn)中得到有效運(yùn)用。

3. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)框架類(lèi)零件采用增加工藝凸臺(tái)的工藝方法以及對(duì)機(jī)床的非線性誤差補(bǔ)償，減小機(jī)床非線性誤差對(duì)加工的影響，并在加工過(guò)程中運(yùn)用在線測(cè)量，有效地解決了框架類(lèi)零件在加工過(guò)程中重復(fù)定位造成的誤差，提高了生產(chǎn)效率。五軸設(shè)備對(duì)框架類(lèi)零件的過(guò)程控制，使得對(duì)同類(lèi)型高精度的鑄件零件的加工有很好的借鑒作用，并在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用于其他類(lèi)似框架類(lèi)零件，取得很好的效果 。