DST Ecospeed機(jī)床在航空結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中的角鉆頭長度適配方案

趙志鵬 王思廣

摘 要：在航空結(jié)構(gòu)件中，很多零件肋板間距離較小，機(jī)床加工時活動空間極為有限，因此該類零件的制孔工序?qū)倾@頭的體積要求非常嚴(yán)格。目前，國內(nèi)并沒有滿足要求的產(chǎn)品，國外產(chǎn)品中，專用刀具價格昂貴，如果大批量購買成本極高;而適用于手持加工工具的刀頭雖然價格較低，體積也足夠小，但由于手持設(shè)備的限制，往往長度（鉆頭軸心到主軸端面的距離，后文以字母L代替）過短，安裝在數(shù)控機(jī)床專用的刀具底座后，鉆頭很難到達(dá)鉆空位置，以致無法完成加工。為解決這一問題，本文以JMFC 300系列刀頭（用于手持設(shè)備）和DST Ecospeed 機(jī)床為例，介紹一種以增加長度適配器的方式，使角鉆頭長度L滿足加工需求的方案。適配器具有通用性，極大地增加日常生產(chǎn)中角鉆頭的選擇范圍，也為加工程序的編寫創(chuàng)造了更大的空間。

關(guān)鍵詞：航空結(jié)構(gòu)件;角鉆頭;DST Ecospeed機(jī)床;長度適配器;通用性

引言

DST Ecospeed 機(jī)床屬于六坐標(biāo)臥式高速加工中心，其角鉆頭由刀頭和通用底座兩部分組成。刀頭體型較小，可夾持刀具（與主軸轉(zhuǎn)動軸心垂直）;底座裝卡于機(jī)床主軸夾刀器（Spindle Holder）上，內(nèi)置減速器，其機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)向以及刀具與主軸間的傳動比。底座與刀頭傳動結(jié)構(gòu)為同軸連接，如圖一所示，長度適配器的安裝位置在兩者之間。高速主軸系統(tǒng)在機(jī)床上做高速回轉(zhuǎn)運動，其轉(zhuǎn)速一般大于8000r/min[1]。本實例中，機(jī)床最高轉(zhuǎn)速更是達(dá)到30000 r/min，因此在設(shè)計過程中，不僅要保證刀具在長度上滿足加工要求，還要兼顧適配器與原結(jié)構(gòu)連接的牢固性和運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，較穩(wěn)妥的選擇是讓傳動機(jī)構(gòu)的對接方案與原設(shè)計保持一致。長度適配器的安裝會帶來多個方向的偏差，該偏差可在校準(zhǔn)后通過機(jī)床刀具相關(guān)參數(shù)進(jìn)行補償。

1 零部件設(shè)計

1.1 尺寸設(shè)計

機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和待加工零件的理論輪廓共同決定了角鉆頭Z向的長度范圍。加裝長度適配器后，角鉆頭的外形尺寸應(yīng)在此范圍之內(nèi)。經(jīng)測量驗證，在保證刀具（刀頭和底座）在機(jī)床內(nèi)部正常運輸、存儲的情況下，其長度L不能超過270mm。為避免發(fā)生意外碰撞，L值應(yīng)控制在260mm之內(nèi)。另一方面，零件加工需要刀具長度L保證在245mm以上，而安裝刀頭JMFC 300后，L值僅為207.4mm。出于對安全性和加工精度兩個方面的考量，刀具應(yīng)在保證生產(chǎn)需求的前提下盡可能短小。因此，將適配器延長區(qū)域設(shè)計為40mm（適配后的刀具長度L為247.4mm）是較為理想的選擇。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為方便拆裝與角度調(diào)整，原刀具設(shè)計中，刀頭與底座的傳動軸僅通過聯(lián)軸器的突起與凹槽結(jié)構(gòu)相連。長度適配器同樣有拆裝和調(diào)整角度的需求，因此傳動設(shè)計也應(yīng)保持簡潔、穩(wěn)定的原則，其連接方式與原設(shè)計一致，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖二所示。適配器的外殼以螺紋連接的方式將刀頭固定在底座上，前后內(nèi)/外螺紋的直徑分別與底座和刀頭相同。同時外殼的內(nèi)形為傳動機(jī)構(gòu)的軸承提供定位。原刀具結(jié)構(gòu)中，螺紋連接處由4個與軸心垂直、呈90°排列的內(nèi)六角螺栓加以緊固。為保證相同的連接強度，也考慮到后續(xù)工作中有在C軸方向調(diào)節(jié)刀頭精度的需求，這個設(shè)計在長度適配器中得到繼承（如圖三所示）。

2 刀具補償

在完成適配器的安裝，并驗證刀具可在機(jī)床內(nèi)部正常運送后，可在試切前對其進(jìn)行補償工作。目前數(shù)控系統(tǒng)都具備刀具長度和刀具半徑補償?shù)墓δ躘2]。刀具長度補償又包括幾何補償（形狀、安裝位置）及磨損補償。其中，半徑補償針對二維輪廓加工，而磨損補償用于補償?shù)毒呤褂媚p后刀具頭部與原始尺寸的誤差[3]。本實例中的角鉆頭僅用于鉆孔工序，適配器的使用也不會使刀具的磨損產(chǎn)生額外變化，因此本文只考慮刀具形狀和位置的調(diào)整。

加裝長度適配器后，刀頭相對于底座的位置可能會產(chǎn)生6個方向的變動，（X、Y、Z、A、B、C）。其中Y軸的偏差可在投入生產(chǎn)之前通過鉆頭的長度補償進(jìn)行調(diào)整;而在鉆頭在垂直的狀態(tài)下，B軸的偏差并不會影響鉆頭的垂直度。所以實際的位置補償工作只需針對X、Z、A、C四個幾何軸進(jìn)行，如圖四所示。需要說明的是，對于其他機(jī)床結(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)的原理相同，方法可以共用，但對應(yīng)的幾何軸須根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

刀具在C軸方向的調(diào)整工作需要配合杠桿表與芯棒完成。刀具夾持在主軸上后，手動將A、B、C三軸數(shù)值歸零。在此狀態(tài)下安裝芯棒，并將杠桿表測針沿幾何軸X軸方向頂住芯棒。松開適配器4個緊固螺栓，沿Y方向移動刀具，并根據(jù)表針示數(shù)旋動刀頭調(diào)整角度。讀數(shù)不再變化后，重新旋緊螺栓。

A軸調(diào)整方式與C軸相同，只需把測針方向改為Z軸，調(diào)整方向改為A軸即可。最終，將A軸角度寫入文件KWZ_PAR的相應(yīng)刀具參數(shù)KWZ_WBK_ WINKEL中（不同機(jī)床刀具文件名稱有差別）。

X與Z軸的校準(zhǔn)方法與傳統(tǒng)角鉆頭相同。DST Ecospeed機(jī)床的校準(zhǔn)流程需借助帶有定位孔的專用量塊。在手動測量刀具長度L和鉆頭長度后，更新刀具信息（為防止發(fā)生碰撞，鉆頭長度可稍微大于實際值）。隨后，讓機(jī)床依據(jù)量塊上定位孔的坐標(biāo)（坐標(biāo)位置預(yù)先設(shè)定）運行至孔位正上方。此時觀察鉆頭軸心與量塊孔洞軸心的相對位置（如圖五所示），以此確定補償值（圖中X和Z）與補償方向，并將結(jié)果分別填入刀具信息Adapter length 1（X方向）和Adapter length 2（Z方向）中。為保證結(jié)果準(zhǔn)確，可在調(diào)整后重復(fù)以上操作，進(jìn)行位置驗證，直到芯棒可沿Y軸準(zhǔn)確插入定位孔中。

3 結(jié)論

經(jīng)實際驗證，該長度適配方案可以滿足實際生產(chǎn)需要。同時，通用接口的使用讓適配器可連接多種刀頭，較為簡單的結(jié)構(gòu)也允許其長度自由定制（在機(jī)床允許的范圍內(nèi)），使得單一刀頭適用于更廣泛的生產(chǎn)內(nèi)容。不僅可以節(jié)約大量成本，避免刀具的重復(fù)購入，更減輕了刀具對生產(chǎn)進(jìn)度的限制，讓排產(chǎn)更加靈活與高效。

在未來的生產(chǎn)中，如需使用其他規(guī)格的刀頭，只需手動更換并重新校準(zhǔn)即可。校準(zhǔn)方案同樣具有通用性。即便面對不同型號的機(jī)床，在首次校準(zhǔn)時，按實際情況調(diào)整坐標(biāo)軸后也可正常使用。后續(xù)生產(chǎn)中，操作者經(jīng)過培訓(xùn)，便可根據(jù)生產(chǎn)需要自行操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁雪生.積極發(fā)展中高檔數(shù)控機(jī)床一大型、高速、精密、多軸、復(fù)合和高效專用數(shù)控機(jī)床[J].WMEM，2007，（2）：72—75

[2]劉雄偉，張定華，王增強，等.數(shù)控加工理論和編程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]葉凱.數(shù)控編程與操作[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.