挖掘機鏟斗鏟唇的數(shù)控加工

張永紅，賈利曉，朱耀華

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2洛陽理工學院材料科學與工程學院 河南洛陽 471023

鏟斗是挖掘機的重要零部件，其工作環(huán)境十分惡劣，易于磨損失效。因此，挖掘機需要定期更換鏟斗[1]。鏟斗通常采用焊接結構，由底座、側板、鏟齒和鏟唇等零部件構成[2]。其中，鏟唇是挖掘主體鏟齒與鏟斗相連接的關鍵零部件，其外形多為復雜空間曲面，切削加工難度大，需要用大型 5 軸數(shù)控鏜銑床進行加工。但此類機床數(shù)量很少，使用成本較高。使用常規(guī)大型 3 軸數(shù)控機床結合手動萬向銑頭加工鏟唇，存在 2 個難題：一是手動旋轉萬向銑頭時，很難確認旋轉角度是否準確到位；二是刀具長度補償困難。對此，筆者通過采取一定的工藝措施，圓滿完成了鏟唇的加工。

1 鏟唇

大型卡特彼勒挖掘機鏟斗的鏟唇外形尺寸為 5 100 mm×1 200 mm×1 400 mm，三維模型如圖 1 所示。該鏟唇材料為低碳合金鋼，為保證零件具有適當?shù)膹姸群退茼g性，常規(guī)生產工藝方案是鑄造成形后經調質處理再進行使用。但該產品屬于特大尺寸零件，在鑄造和熱處理過程中會因各部位冷卻速度不一致而產生較大的應力和變形，從而影響零件的使用效果[3]。因此，為了保證尺寸精度，在生產過程中增加了機加工工序。加工選用 XKA2125 數(shù)控龍門鏜銑床，該設備配有手動旋轉的萬向銑頭附件，其旋轉軸為a軸和c軸，2 個旋轉軸旋轉整數(shù)角度時可根據(jù)刻度準確旋轉到位，對于非整數(shù)角度的旋轉會存在誤差。另外，各旋轉軸的幾何尺寸沒有準確數(shù)值，無法通過計算進行刀具長度補償。但是，該零件的結構很復雜，加工面為多個空間曲面，相對位置精度要求高，裝夾、找正和測量難度都很大。針對這些難點設計了對刀方法、刀軸驗證方法和分區(qū)域編制程序的工藝方案。

2 加工工藝

2.1 區(qū)域劃分和刀軸設定

鏟唇零件的外觀復雜，為了方便編寫加工程序，減少編程工作量，根據(jù)工件的對稱特征，將工件待加工部分劃分為如圖 1 所示的 9 個區(qū)域[4]，分別編寫加工程序，通過旋轉萬向銑頭，實現(xiàn)一次裝夾完成各個區(qū)域的加工。A 區(qū)域由 17 個齒及其周邊的曲面組成；B、C 區(qū)域均由與 A 區(qū)域中 17 個齒相對應的法向平面和其上的腰形孔組成，位于 A 區(qū)域的內外兩側；D、E 區(qū)域形狀對稱，是 A 區(qū)域左右兩側相連側板的外側平面及其上的腰形孔；F、G 區(qū)域形狀對稱，是A 區(qū)域左右兩側相連側板的內側平面及孔口倒角；H、I 區(qū)域形狀對稱，分別是 D、F 區(qū)和 E、G 區(qū)之間的斜面與圓弧面。

圖1 鏟唇三維模型Fig.1 3D model of bucket lip

鏟唇的 9 個區(qū)域中，A 區(qū)域的加工難度最大，因此僅介紹 A 區(qū)域的刀軸設定，其他區(qū)域的刀軸設定與此相同。由于 A 區(qū)域由 17 個齒及其周邊的曲面組成，形狀中間對稱。而刀軸的設定影響程序數(shù)量、加工質量和加工效率，因此在保證加工到位的情況下應盡量減少刀軸方向的改變次數(shù)。根據(jù)鏟唇零件的形狀特征，為減少萬向銑頭偏轉次數(shù)，提高加工效率，同時保證能全部銑削加工完成，將 A 區(qū)域又細分為如圖2 所示的 17 個分區(qū)。這 17 個分區(qū)以 A0 為中心，可將程序鏡像后用于加工。將刀軸設定為如表 1 所列的7 個方向，通過改變 6 次刀軸方向，即可完成 A 區(qū)域的加工。

圖2 A 區(qū)域組成Fig.2 Composition of area A

表1 A 區(qū)域刀軸設定Tab.1 Setting of cutter axis in area A

2.2 刀軸旋轉及驗證

鏟唇上需要加工的區(qū)域遍布各個方向，需要不斷旋轉萬向銑頭的a、c軸來完成加工過程。由于加工過程中刀軸的方向很多，大約需要旋轉 80 次，為了保證每次萬向銑頭的旋轉角度準確，設計了一套操作流程及檢驗方法，并基于西門子 FRAME 指令集手工編寫了R參數(shù)程序。

2.2.1 刀軸驗證程序

刀軸旋轉后方向是否正確，需要進行驗證。刀軸驗證程序如下：

2.2.2 刀軸旋轉

下面以a軸旋轉 11.658°、c軸旋轉 -23.786°為例，說明刀軸角度旋轉的操作步驟。

第 1 步，先在刀軸上安裝長度大于 120 mm 的對刀棒。

第 2 步，旋轉萬向銑頭的a軸到 11.658°，c軸到 0°。

第 3 步，將驗證程序中的R1 賦值為 11.658，R2賦值為 0，使對刀棒與固定在工作臺的百分表接觸，如圖 3(a) 所示。運行刀軸驗證程序，并使對刀棒沿軸向移動 50 mm，如圖 3(b) 所示。

圖3 旋轉 a 軸時百分表與對刀棒的相對位置Fig.3 Relative position of dial gauge and cutter rodon axis arotating

第 4 步，觀察百分表變化，若百分表上的指針有偏轉，說明角度有偏差，微調萬向銑頭a軸角度，重復進行第 3 步；若百分表上的指針不動，說明旋轉角度正確。此時a軸旋轉角度符合要求。

第 5 步，a軸固定不動，旋轉萬向銑頭c軸到-23.786°。

第 6 步，在固定百分表的側邊固定另一個百分表，將驗證程序中的R1 賦值為 11.658，R2 賦值為-23.786，使對刀棒在相互垂直的 2 個方向接觸百分表，如圖 4(a) 所示。運行刀軸驗證程序，并使對刀棒沿軸向移動 50 mm，如圖 4(b) 所示。

圖4 旋轉 c 軸時百分表與對刀棒的相對位置Fig.4 Relative position of dial gauge and cutter rodon axiscrotating

第 7 步，觀察百分表變化，若百分表上的指針有偏轉，說明角度有偏差，微調萬向銑頭c軸角度，重復進行第 6 步；若百分表上的指針不動，說明旋轉角度正確，此時萬向銑頭的a、c軸角度都符合要求。

2.3 對刀

2.3.1 對刀基準

由于工件表面基本上都由曲面和斜平面構成，而且需要切削加工，不能作為對刀的基準。因此，在設定加工坐標系前，先在工件的旁邊合適位置安放 1個工藝塊，并銑此基準塊的 5 個面作為工藝基準面，在工件加工完畢前，工藝塊作為零件的一部分不可移動。然后使用百分表測量工藝基準面到工件特殊點位的各個軸向距離，計算出工藝基準面到工件坐標系原點的距離并記錄，此數(shù)值將應用到對刀數(shù)據(jù)計算中。

2.3.2 等刀長替換對刀法

機床系統(tǒng)中沒有自動補償功能，需要通過對刀的方式對刀點的坐標進行補償[5]，對于垂直或平行于切削平面的刀具可以直接對刀；如果有一定的夾角，無法直接使用刀具準確對刀，筆者為此設計了采用球頭對刀棒進行輔助等刀長替換對刀法，如圖 5 所示。球頭對刀棒的端部是直徑為 10 mm 的球體。對刀前，先將刀具和對刀棒分別裝在 2 個刀柄上，使從刀柄端頭到刀棒球頭球心的距離L1與刀具的長度L2相等，此時，機床上對刀棒球頭的球心就是對刀點。萬向銑頭旋轉后的對刀，就是使用對刀棒在工藝塊上對刀并設定機床坐標系的過程。由于對刀棒和刀具的長度相同，因此，使用對刀棒對刀就相當于刀具對刀，這種對刀方法稱為等刀長替換對刀法。需要注意的是，采用球頭對刀棒對刀時，對刀點與工件加工面之間有 1個球頭半徑的距離 (5 mm)，因此在對刀時，要注意每個軸向的對刀都必須減去球頭的半徑。由于在加工過程中需要使用多種刀具來完成切削，并且刀具的長度各不相同，且相差較大。因此，加工了多個不同長度的對刀棒，以便節(jié)省輔助時間，提高生產效率。對刀過程中如果配合使用z軸對刀器，則可大大提高對刀的精度。

圖5 刀具與對刀棒等長裝卡示意Fig.5 Fixturesketch on milling cutter and cutter rod being equal in length

2.4 銑削加工

把鏟唇的加工表面進行區(qū)域劃分后，因特征對稱，只需編制一個特征程序，另一側采用鏡像功能，編程工作量減少，加工操作時采用對稱加工，旋轉萬向銑頭的次數(shù)也相應減少，可提高加工效率。具體加工步驟如下：

(1) 按工藝坐標系要求把工件裝卡在工作臺上，找正，壓緊，在適當位置安放工藝塊并卡緊。

(2) 加工工藝塊的 5 個表面，測量工藝塊尺寸及相對于工件坐標系各軸的位置數(shù)據(jù)并記錄。

(3) 加工 A 區(qū)的 A0、A1、A2 區(qū)域，刀軸角度為a＝11.009°，c＝0°，加工方案如表 2 所列。

表2 A0、A1、A2 加工方案Tab.2 Machining scheme in area A0,A1 and A2

(4) 將準備好的 D63R10 環(huán)形刀、φ32 球頭刀、φ20 球頭刀和與刀具等長的對刀棒分別安裝在 4 個刀柄上。

(5) 把帶刀柄的對刀棒安裝在萬向銑頭刀軸上，在工作臺上合適位置固定百分表；手動旋轉a軸到11.009°，旋轉c軸到 0°，操作機床，使對刀棒外圓壓上百分表，運行驗證程序，經多次調整、驗證直到滿足要求。

(6) 操作機床，使對刀棒球頭輕輕接觸工藝塊上端面，如圖 6 所示。由于工藝塊上端面到工件xy平面距離為 258，對刀棒球頭半徑為 5，則通過 263，設置工件的z軸零點；再次操作機床，使對刀棒球頭輕輕接觸工藝塊側面，由于工件側面到工件xz平面的距離 1 163，對刀棒球頭半徑為 5，則通過 1 168，設置工件y軸零點，同樣操作設置x軸零點。

圖6 對刀操作示意Fig.6 Sketch of cutter setting operation

(7) 拆下帶刀柄的對刀棒，裝卡上 D63R10 刀具，進行粗銑加工。

(8) 拆下 D63R10 刀具，裝上與φ32 球頭刀對應長度的對刀棒重新對刀。

(9) 拆下對刀棒，裝上φ32 球頭刀，進行精銑加工。

(10) 拆下φ32 球頭刀，裝上與φ20 球頭刀對應長度的對刀棒重新對刀。

(11) 拆下對刀棒，裝上φ20 球頭刀進行清根加工。

該區(qū)域加工完成后，再加工 A3、A5、A7 區(qū)域，然后用鏡像程序加工 A4、A6、A8 區(qū)域，依次類推，完成整個工件的加工。

3 工藝流程

鑄造毛坯—鉗工打磨冒口—鉗工劃線—攝影測量—粗銑加工—精銑加工—局部樣板檢查—攝影測量。其銑削加工，通過應用等刀長對刀，快速驗證刀軸的正確性等工藝措施，工藝成熟后加工時間縮短了一半，加工質量得到了用戶的認可。

4 結語

對加工表面進行分區(qū)，采用程序鏡像功能，減少了編程工作量；通過采用球頭對刀棒進行輔助對刀，不僅解決了萬向銑頭處于復合角度時對刀難的問題，也提高了對刀效率；通過程序驗證的方法，保證了萬向銑頭旋轉角度的準確性，使卡特彼勒挖掘機鏟斗鏟唇的數(shù)控加工順利完成，在實現(xiàn)降本增效的同時，也可為同類零件的加工提供了借鑒。