五軸數(shù)控機(jī)床叉形件孔加工優(yōu)化及CATIA實(shí)現(xiàn)途徑

蘇慶雙 趙孟利 付 仕 李 超 徐兆江

（中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司 上海201306）

1 叉形件與5D NAS件、S形件對(duì)比

在長(zhǎng)期飛機(jī)工裝制造的過程中，對(duì)數(shù)控設(shè)備的驗(yàn)收有著自己獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在進(jìn)行數(shù)控設(shè)備，特別是五軸設(shè)備驗(yàn)收時(shí)，除了按照NAS979標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行3D NAS件、5D NAS件、S形件試切、檢測(cè)、驗(yàn)收[1]，還根據(jù)自身特點(diǎn)，要求機(jī)床在驗(yàn)收過程中進(jìn)行叉形件（材質(zhì) 7075-T651）的試切、檢測(cè)，并作為驗(yàn)收依據(jù)，叉形件的結(jié)構(gòu)以及技術(shù)要求如圖 1、圖2所示。

圖1 叉形件實(shí)物

叉形件與5D NAS、S形件相比，在對(duì)機(jī)床精度的驗(yàn)收方面，具有以下特點(diǎn)：

（1）聯(lián)動(dòng)形式雖與5D NAS件類似，但聯(lián)動(dòng)形式卻更復(fù)雜。

（2）零件尺寸大，大曲率拐角，軸向縱深更大，58個(gè)法向定位孔，且軸向縱深均不同，5D NAS件、S形件均無類似特征。

（3）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要有合理的工藝技術(shù)路線。

（4）與S形件類似，開閉角聯(lián)動(dòng)變化[2]。

綜上，與5D NAS件、S形件相比，叉形件一定程度上更能體現(xiàn)機(jī)床的幾何精度、定位精度、加工效率、綜合表面加工質(zhì)量、整機(jī)振動(dòng)及顫振等性能。工件在五軸機(jī)床加工如圖3所示。

圖3 叉形件五軸加工安裝圖

以往五軸機(jī)床驗(yàn)收過程中，3D NAS件、5D NAS件、S形件均可以順利的通過驗(yàn)收，然而叉形件經(jīng)常出現(xiàn)不合格的情況，尤其是孔位置度經(jīng)常出現(xiàn)超差，工藝技術(shù)人員通過對(duì)以往存檔的工藝文件進(jìn)行分析、梳理，總結(jié)出了孔出現(xiàn)不合格的原因，并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，給出了合理的孔加工方案并利用CATIA軟件中CAM模塊給出具體的編程方案。

2 以往兩種工藝路線及其存在的問題

2.1 優(yōu)化前工藝路線一

（1）下料： 45×930×225。

（2）銑粗加工所需基準(zhǔn)：六方見光。所使用刀具：D25整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理）、D100面銑刀（主偏角45°）；

（3）粗加工零件：X左側(cè)邊、Y分中，Z0底平面；內(nèi)、外型面留 2mm余量。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可槽銑，刀尖倒角處理），加工完畢后，零件自由狀態(tài)擱置12 h，以便切削過程產(chǎn)生的應(yīng)力得到釋放，零件變形充分。

（4）半精加工：上下兩表面余量均分，加工上下兩表面到38.5，內(nèi)外型面各留0.3精光余量。加工出三個(gè)定位孔。加工所使用的刀具：D100面銑刀（主偏角 45°）、D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可刀尖倒角處理），Coromill 860整體硬質(zhì)合金鉆頭。

（5）精加工：鉆孔，內(nèi)外型面精加工。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理），Coromill 860 D10整體硬質(zhì)合金鉆頭。

上述工藝路線是最簡(jiǎn)易的工藝路線，可行性很強(qiáng)。然而上述工藝路線在加工過程中忽略了兩個(gè)很重要的問題，而這兩個(gè)問題導(dǎo)致零件出現(xiàn)超差：

（1）整個(gè)零件是開方式結(jié)構(gòu)、且兩叉形臂截面尺寸 38.5mm×24mm，兩臂的孔加工放在精加工工序中，然而孔數(shù)量太大，大量的材料去除，造成了材料之間應(yīng)力釋放，導(dǎo)致零件在加工之后出現(xiàn)了變形，型面、定位孔、58個(gè)精孔之間出現(xiàn)相對(duì)位置變化，導(dǎo)致零件不合格。

（2）零件左側(cè)平面與弧形側(cè)面相接處曲率變化大，而整體硬質(zhì)合金的鉆尖角 140°，而且?guī)缀跸藱M刃，如圖4所示。相接處曲面曲率太大，超過了整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆尖的定位能力，并且，鉆頭的兩條刃口的切削力嚴(yán)重不平衡，通過CMM檢測(cè)報(bào)告可知，零件最左側(cè)兩個(gè)Φ10H7孔，超差最嚴(yán)重，如圖5所示。

極端情況下，進(jìn)給略快的情況下，切削力的不平衡會(huì)導(dǎo)致鉆頭斷裂。

圖4 整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆尖

圖5 叉形件左端兩孔孔位漂移

2.2 優(yōu)化前工藝路線二

（1）下料：45×930×225。

（2）銑粗加工所需基準(zhǔn)：六方見光。所使用刀具D25整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理）、D100面銑刀（主偏角45°）；

（3）粗加工零件：X左側(cè)邊、Y分中，Z0底平面；內(nèi)、外型面留2 mm余量，兩臂上的孔均加工到Φ8通孔。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可槽銑，刀尖倒角處理），Φ7整體硬質(zhì)合金鉆頭。加工完畢后，零件自由狀態(tài)擱置12 h，以便切削過程產(chǎn)生的應(yīng)力得到釋放，零件變形充分。

（4）半精加工：上下兩表面余量均分，加工上下兩表面到38.5 mm，內(nèi)外型面各留0.3 mm精光余量。加工出三個(gè)定位孔。加工所使用的刀具：D100面銑刀（主偏角 45°）、D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可刀尖倒角處理），Coromill 860 D10整體硬質(zhì)合金鉆頭[3]。

（5）精加工：擴(kuò)孔，內(nèi)外型面精加工。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理），Coromill 860 D10整體硬質(zhì)合金鉆頭。

優(yōu)化前工藝的開粗工序中，對(duì)兩臂所有孔進(jìn)行粗加工，釋放掉材料去除所帶來的應(yīng)力釋放，進(jìn)而消除了孔加工所帶來的二次變形。工裝中心機(jī)床驗(yàn)收試切加工中，只是出現(xiàn)偶爾孔位以及孔徑超差，但是孔加工效率一直得不到提升。

通過對(duì)工藝路線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要問題是整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆尖角以及橫刃幾乎不存在導(dǎo)致的問題。采用Coromill 860 D10整體硬質(zhì)合金鉆頭雖然可以加工出Φ10H7的孔，但是，由于整體硬質(zhì)合金鉆頭的斷屑位置位于刀尖處（或者整體硬質(zhì)合金鉆頭僅有的一點(diǎn)橫刃處），該方案中，由于粗加工工序中預(yù)鉆了Φ8孔，因此，在精加工鉆孔時(shí)，整體硬質(zhì)金鉆頭由于預(yù)制Φ8孔的存在，導(dǎo)致鉆頭無法定位、無法斷屑，進(jìn)而無法排屑，鉆孔效率低。鋁屑無法排出，受迫在鉆頭與孔內(nèi)壁之間被擠壓斷屑，導(dǎo)致孔徑超差，且排屑問題導(dǎo)致不得不選擇CYCLE83指令，這種加工方式制約著效率提升。

在今年新引進(jìn)五軸機(jī)床驗(yàn)收過程中，讓資深工藝人員進(jìn)行了詳細(xì)的工藝方案分析、總結(jié)，制定出了一套可行高效的工藝方案，并且一次試切通過。

2.3 優(yōu)化后的工藝路線

（1）下料：45×930×225。

（2）銑粗加工所需基準(zhǔn)：六方見光。所使用刀具D25整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理）、D100面銑刀（主偏角45°）；

（3）粗加工零件：X左側(cè)邊、Y分中，Z0底平面；內(nèi)、外型面留 2mm余量，兩臂上的孔均加工到Φ8通孔，且最左端兩處孔在鉆孔之前锪平，如圖6所示。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可槽銑，刀尖倒角處理），D10R0.2整體硬件合金立銑刀、D7整體硬質(zhì)合金鉆頭。加工完畢后，零件自由狀態(tài)擱置12 h，以便切削過程產(chǎn)生的應(yīng)力得到釋放，零件變形充分。

（4）半精加工：上下兩表面余量均分，加工上下兩表面到厚度38.5mm，內(nèi)外型面各留0.3精光余量。加工出三個(gè)定位孔，兩臂上的孔使用整體硬質(zhì)合金平底鉆頭擴(kuò)孔到Φ9.6。所使用的刀具：D100面銑刀（主偏角 45°）、D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（可刀尖倒角處理），Coromill 860 D10整體硬質(zhì)合金鉆頭，如圖7所示。

（5）精加工：鏜孔，內(nèi)外型面精加工。所使用刀具：D16整體硬質(zhì)合金立銑刀（刀尖倒角處理），WOHLHAUPTER DIGI BORE數(shù)顯鏜刀兩次鏜孔處理。

圖6 左端兩孔孔口锪平

圖7 平底鉆及其鉆尖形式

2.4 優(yōu)化后的工藝路線優(yōu)點(diǎn)

（1）粗加工時(shí)：左端兩孔采用 D10R0.2整體硬質(zhì)合金立銑刀锪平，避免了整體硬質(zhì)合金鉆頭在這兩處無法有效定位、切削力嚴(yán)重不平衡所導(dǎo)致的位置漂移甚至鉆頭斷掉情況的出現(xiàn)。

（2）半精精工時(shí)，兩臂上所有的孔采用 D9.6整體硬質(zhì)合金平底鉆進(jìn)行擴(kuò)孔，不再使用D9.6整體硬質(zhì)合金鉆頭擴(kuò)孔，使得擴(kuò)孔工序有著良好的斷屑、排屑能力，擴(kuò)孔的質(zhì)量效率大大得到提升，且平底鉆可以一定程度上糾正原孔位位置度。

（3）精加工時(shí)，所有孔采用WOHLHAUPTER DIGI BORE數(shù)顯鏜刀，單個(gè)孔位采用兩次鏜削處理。由于零件裝夾工裝的影響，Φ 10H7孔的孔深超過了60，鏜刀桿的懸伸很長(zhǎng)，鏜孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的讓刀，為了盡可能提高鏜孔效率，不再單個(gè)孔逐一調(diào)節(jié)鏜刀鏜孔，我們制定了“預(yù)調(diào)鏜刀+單孔位連續(xù)兩次精鏜削”方案。

在加工之前，首先進(jìn)行鏜刀的調(diào)整，預(yù)先在試塊上，鉆多個(gè)Φ9.6孔，將孔鏜到Φ10H7，以此來確定鏜刀需要調(diào)整的最終位置。采用試塊鏜孔確定鏜刀的調(diào)整位置，單個(gè)孔位兩次鏜削的工藝大大簡(jiǎn)化了孔的精加工工序，預(yù)調(diào)好的鏜刀很好地發(fā)揮了作用。這個(gè)加工過程不需要對(duì)鏜刀進(jìn)行調(diào)整，加工效率遠(yuǎn)高于舊工藝方案2，同時(shí)鏜孔可以糾正孔的位置偏差，在此工序中，單個(gè)孔位連續(xù)兩次精鏜削，可以糾正孔位置度的偏差兩次，工序具有極高的工藝可靠性，大大提高了加工精度，大批量孔的精鏜加工批量解決， 不再單個(gè)孔逐一調(diào)整鏜刀鏜削，極大地提高了加工效率，數(shù)顯鏜刀系統(tǒng)及鏜孔加工如圖8所示。

圖8 數(shù)顯鏜刀及鏜孔加工示意圖

3 CATIA ADVANCED MACHINING 模塊單孔位多次孔循環(huán)編程

新引進(jìn)的數(shù)控機(jī)床采用的是 SIEMENS 840D SL數(shù)控系統(tǒng)[4]，與FANUC數(shù)控系統(tǒng)相比，西門子的固定循環(huán)指令里面沒有K參數(shù)。但西門子提供了諸多循環(huán)執(zhí)行指令，如FOR…TO…ENDFOR計(jì)數(shù)指令、REPEAT重復(fù)指令。

大批量孔加工編程時(shí)如何使用軟件生成上述指令是個(gè)關(guān)鍵。CATIA作為一款強(qiáng)大的PLM軟件，在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有處于統(tǒng)治地位，CATIA CAM模塊延續(xù)了CATIA軟件專業(yè)性強(qiáng)，邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)，CATIA CAM模塊的諸多強(qiáng)大功能在一定程度上仍處于摸索狀態(tài)。經(jīng)過研究實(shí)踐，叉形件所需要的特殊鏜孔路徑可以利用 CATIA CAM 模塊的 PP INSTRUCTON（WORD）生成FOR…TO…ENDFOR計(jì)數(shù)指令或者REPEAT重復(fù)指令。

CATIA CAM模塊的PP INSTRUCTON（WORD）指令可以在數(shù)控編程的刀位點(diǎn)、邏輯點(diǎn)插入特定的后處理指令，這種宏指令可以被后處理程序讀取，并執(zhí)行特定的機(jī)床功能、特定的機(jī)床運(yùn)動(dòng)，PP INSTRUCTON（WORD）指令遵循ISO4343國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[4]。在叉形件的精鏜工序中，采用 CATIA ADVANCED MACHINING模塊中Boring Spindle Stop指令，對(duì)應(yīng)Siemens 840D中的CYCLE86精鏜孔指令，如圖9所示。

圖9 Boring Spindle Stop指令

3.1 利用軟件生成REPEAT指令

進(jìn)入CATIA ADVANCED MACHINING模塊后，選擇Boring Spindle Stop指令，選擇兩臂上所有的孔位，Jump Distance雙擊設(shè)置為 30，軸向更改為Variale Axis，如圖10所示。

圖10 刀軸選擇

3.2 Macros進(jìn)退刀設(shè)置

CATIA CAM模塊進(jìn)退刀的指令帶有一定的邏輯控制性，在此，激活A(yù)ppraoch、Retract、Linking Approach以及Linking Retract選項(xiàng)，在進(jìn)行進(jìn)退刀路規(guī)劃之前，均需要插入REPEAT指令所需要的的跳轉(zhuǎn)標(biāo)記，在Appraoch、Linking Approach選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Add PP word list，均輸入INSERT/AAA1:,其中 AAA1是自定義字符串，只要滿足 Siemens 840D中REPEAT指令編程規(guī)則即可，如圖11、圖12所示。

圖11 插入跳轉(zhuǎn)標(biāo)記

圖12 重復(fù)指令跳轉(zhuǎn)標(biāo)記

在Retract以及Linking Retract中均點(diǎn)擊Add PP word list，輸入INSERT/REPEAT AAA1 P=1，如圖13所示。

圖13 REPEAT指令

在Appraoch、Retract需再設(shè)置進(jìn)退刀路徑，而Linking Approach以及Linking Retract不需要規(guī)劃、設(shè)置進(jìn)退刀路徑(值)，只需要提供邏輯上的控制點(diǎn)即可。至此，則完成了每個(gè)孔位循環(huán)精鏜兩次的編程工作。

此外，使用FOR…TO…ENDFOR指令亦可以完成每個(gè)孔循環(huán)精鏜兩次的執(zhí)行需求。只是在Appraoch、Linking Approach選項(xiàng)卡中Add PP word list輸入的是：INSERT/DEF INT HOLEBORETWICE以及FOR HOLEBORETWICE 1 TO 2，而在Retract以及Linking Retract選項(xiàng)卡中Add PP word list輸入的是ENDFOR。當(dāng)然在此，所定義的字符只要滿足Siemens編程規(guī)則即可。

兩種指令利用后置軟件生成的NC代碼格式分別如下：REPEAT指令格式，如圖14所示；FOR…TO…ENDFOR指令格式，如圖15所示。

程序經(jīng)過VERICUT模擬及上機(jī)試切，完全達(dá)到了預(yù)期效果。

圖14 REPEAT指令程序

圖15 FOR…TO…ENDFOR指令程序

4 結(jié)語(yǔ)

叉形試切件孔加工方案從諸多細(xì)節(jié)上優(yōu)化了以往的工藝方案，完全解決了以往工藝方案的不足之處，同時(shí)比以往方案有著更高的加工效率。

與 NAS979標(biāo)準(zhǔn)3D NAS件、5D NAS件、ISO10791-7標(biāo)準(zhǔn)S形件相比，叉形件目前還未從切削參數(shù)上(切削負(fù)載狀況)給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這將是我們后續(xù)繼續(xù)努力的方向，以便讓叉形試切件更好、更準(zhǔn)確、更客觀地去評(píng)價(jià)一臺(tái)機(jī)床的性能。