五軸機(jī)床多孔位鍵槽插削技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)

劉 桃，石含關(guān)，韓曉東

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

0 引 言

在機(jī)械加工過程中，對于鍵槽的加工通常可以采用插床或電火花成形加工來完成。但普通插床插削加工，存在尺寸精度、對稱度難以保證(采用按線加工)，表面粗糙度不易達(dá)到，加工效率較低，并需要較高的操作技能水平；電火花成形加工，原工藝本為電火花成形鍵槽序，由于電加工時(shí)需制作工具電極，加工效率低，電極會因放電而出現(xiàn)損耗，工件加工部位尺寸會逐步產(chǎn)生變動，另外，電加工時(shí)還需通過轉(zhuǎn)臺拉直并單個(gè)孔找正來確保鍵槽的尺寸精度和對稱度。所以在電加工中勞動強(qiáng)度、難度都較大，加工質(zhì)量穩(wěn)定性不好，不適合多孔位或批量加工。

而隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，特別是五軸機(jī)床的推廣應(yīng)用，加工精度、功能都得到了大幅度提高，筆者通過對設(shè)備、刀具、程序等方面進(jìn)行研究分析并試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多孔位鍵槽的高效插削。

1 鍵槽插削工藝分析

如圖1所示為某轉(zhuǎn)接板零件簡圖，零件材料45#鋼，從圖中可以看到，零件有多個(gè)向心、陣列孔位的單鍵槽或臺階鍵槽，鍵槽對稱度為0.1 mm，尺寸精度一般，臺階鍵槽有相互位置關(guān)系。從零件結(jié)構(gòu)上看，存在多種孔位的鍵槽，鍵槽內(nèi)都有空刀槽，可加工性強(qiáng)。但要實(shí)現(xiàn)在數(shù)控設(shè)備上的加工，設(shè)備需滿足以下相關(guān)要求：①剛性，零件材料為45#鋼，插削時(shí)刀具不旋轉(zhuǎn)，所以對主軸的剛性有一定要求，最好使用機(jī)械主軸；②主軸準(zhǔn)停，為確定插刀方位，需要主軸可以準(zhǔn)停在任意角度；③插削進(jìn)給速度較快，需確保快速進(jìn)給下的軸向剎車；④轉(zhuǎn)臺位置跟隨，由于主軸準(zhǔn)停已確定，為避免斜線插削，以及不需要將零件放置轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心等簡便要求，所以需要五軸功能設(shè)備，利用位置跟隨來確定位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)單向移動的插削；⑤機(jī)床定位精度，需滿足零件尺寸、對稱度要求。

圖1 零件簡圖

在刀具和程序上，針對插削過程的連續(xù)性、插削誤差和位置計(jì)算等需解決刀具改進(jìn)、找正、程序編制的相關(guān)問題。在刀具應(yīng)用上，需確保在插槽時(shí)有空刀槽時(shí)的退刀方式或盲孔的斜線向上退刀方式，且在退刀之前切削刃必須在槽外設(shè)定正確的位置。另外，需精確測量刀具刃到主軸回轉(zhuǎn)中心的距離，以確定編制程序時(shí)的相關(guān)位置。所以對于程序和刀具，在插削加工前必須進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和找正。

結(jié)合以上內(nèi)容，考慮插削的過程按照如下步驟進(jìn)行：

(1) 拉直插刀在主軸定向角度內(nèi)的直線度，在0.01 mm以內(nèi)。

(2) 設(shè)定主軸定向角度，如86.4°。

(3) 根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)編制插削程序，通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)控制插刀與鍵槽的位置和方向。

(4) 通過插削參數(shù)實(shí)驗(yàn)得到合理的插削參數(shù)，如：每刀插削量Fz=0.05 mm，進(jìn)給F=8 000 mm/min。

2 鍵槽插削工藝試驗(yàn)

2.1 設(shè)備選擇

針對前面的插削工藝分析，對比某五軸機(jī)床的相關(guān)參數(shù)，確定都能滿足相關(guān)要求。該機(jī)床為機(jī)械式主軸，刀柄采用彈簧力機(jī)械式夾緊，最大扭矩可達(dá)430 Nm，Z軸加速度為6.5 m/s2，定位精度0.008 mm；回轉(zhuǎn)工作臺許可的最大慣性力矩為205 Nm，并具有自動鎖緊功能；所使用的數(shù)控系統(tǒng)為海德漢530系統(tǒng)，能滿足定義主軸定向角度的需要。

2.2 刀具改進(jìn)及找正

由于是利用車床插刀來實(shí)現(xiàn)插槽，所以在刀具柄部需加工出垂直或平行于刀刃的基準(zhǔn)邊，用于確定定向角度。再通過百分表確定主軸回轉(zhuǎn)中心，移動軸確定刀刃最低點(diǎn)，計(jì)算出相對位置即刀刃距離刀具回轉(zhuǎn)中心值，如圖2所示。

圖2 刀具改進(jìn)說明圖

2.3 程序編制

在編制數(shù)控程序時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算出合理的進(jìn)刀、出刀位置，如圖3所示。從圖中可以看出，根據(jù)孔徑和刀具回轉(zhuǎn)中心相對于刃口的距離，再結(jié)合設(shè)定的安全距離0.2 mm，利用三角函數(shù)計(jì)算出合理的進(jìn)出刀位置點(diǎn)，應(yīng)用于程序的編制。

圖3 程序計(jì)算

基于海德漢530系統(tǒng)的程序及說明：

0 BEGIN PGM chacao MM 程序名稱

1 TOOL CALL “CD9.57” Z DL+0 調(diào)用刀具

2 L C+0 B+0 RO FMAX 轉(zhuǎn)臺回坐標(biāo)原點(diǎn)

3 L X+0 Y+0 RO FMAX 坐標(biāo)軸回坐標(biāo)原點(diǎn)

4 L Z+200 RO FMAX

5 FN 0：Q10=+0 角度初始值

6 LBL2 標(biāo)記號設(shè)為“2”第二層嵌套循環(huán)

7 PLANE SPATIAL SPA+0 SPB+0 SPC+Q10 TURN MB MAX

FMAX TABLE ROT C軸跟隨旋轉(zhuǎn) TABLE ROT

8 CYCL DEF 13.0 ORIENTATION

CYCL DEF 13.1 ANGLE86.4 定義主軸

定向角度86.4°

9 M19 主軸定向

10 Q1=179 Y軸坐標(biāo)位置

11 FN 0：Q2=+15.73-9.57 相對起始位置

減去刀刃距離回轉(zhuǎn)中心值

12 FN 2：Q3=+Q1 - +Q2 進(jìn)出刀點(diǎn)計(jì)算

13 Q4=Q3

14 LBL1 標(biāo)記號設(shè)為“1”第一層嵌套循環(huán)

15 L X+0 Y+Q4 RO FMAX 在安全范圍內(nèi)

第一刀插削值

16 L Z+5 RO FMAX

17 L Z-12.5 RO FMAX 插削深度

18 Y+Q3 Y軸插削坐標(biāo)變量

19 L Z+5 RO FMAX

20 LBL 0 標(biāo)記號“1”結(jié)束，即第一層嵌套

循環(huán)結(jié)束

21 FN 2：Q4=+Q4 + 0.05 每次增加0.05插

削量

22 FN 11：IF +Q4 GT +176.04 GOTO LBL1

如果大于跳轉(zhuǎn)

23 L Z+200 RO FMAX

24 LBL 0 標(biāo)記號“2”結(jié)束，即第二層嵌套

循環(huán)結(jié)束

25 FN 2：Q10=+Q10 + 18 旋轉(zhuǎn)18°，定位其

余孔

26 CALL LBL2 REP10 呼叫10次，加工其

余孔

27 PLANE RESET STAY 轉(zhuǎn)臺復(fù)位

28 STOP M30

29 END PGM chacao MM 程序結(jié)束

3 試驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

對試驗(yàn)過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，且加工后采用專用檢具檢驗(yàn)，鍵槽對稱度為0.03 mm，尺寸精度滿足要求，加工單個(gè)鍵槽時(shí)間低于25 s。通過實(shí)際生產(chǎn)10件零件，約850個(gè)槽，其尺寸精度、表面質(zhì)量和形位公差全部滿足要求。在與傳統(tǒng)的電火花加工工藝相比之下，其效率提升了97%、成本降低90%以上。

4 結(jié) 語

在利用五軸機(jī)床進(jìn)行多孔位的鍵槽插削加工過程中，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了插削的可行性，得出了插削加工需要選擇合適的機(jī)床，即需要能夠?qū)崿F(xiàn)主軸機(jī)械自鎖、主軸準(zhǔn)停，滿足定位精度且能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺位置跟隨的機(jī)床。提出并解決了刀具的改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過對車削插刀的改進(jìn)，完成了插刀在銑削機(jī)床上的應(yīng)用。并且通過對數(shù)控系統(tǒng)程序編制與應(yīng)用的拓展，以及計(jì)算進(jìn)刀、出刀位置，編制循環(huán)程序再利用TABLE ROT功能，達(dá)到并實(shí)現(xiàn)了不同角度和位置的簡化編程。針對整個(gè)鍵槽加工過程中所提出問題都進(jìn)行了試驗(yàn)并取得成功，這對今后的機(jī)床能力拓展、鍵槽加工效率的提升以及實(shí)際生產(chǎn)中的推廣等都具有重要意義。