超級矩形篩篩箱工藝精度保證

謝 杰, 徐 強

(蘇州蘇福馬機械有限公司,江蘇 蘇州 215011)

1 工藝背景

BF14260(TD)C超級矩形篩是蘇州蘇福馬機械有限公司實現(xiàn)進口替代、自主創(chuàng)新開發(fā)的新品,其設(shè)計的高度和工藝的難度不言而喻。篩箱是超級篩中最重要的主關(guān)件,它是外形為長6 100 mm、寬3 358 mm、高2 250 mm 、重量達8 t的超大結(jié)構(gòu)件。篩箱通過四個昂貴不菲的進口ROSTA柔性支撐,保證箱體的5°斜置,并通過X型高強度板定位聯(lián)接,實現(xiàn)與主軸的偏心驅(qū)動,結(jié)合雙層和每層粗、中、細篩網(wǎng)多規(guī)格,從而高效完成箱內(nèi)刨花螺旋前行和分級篩選。其工藝要求既要在焊接方面要做“強篩箱”,保證在每天24 h、日復(fù)一日不停循環(huán)振動應(yīng)力下的疲勞壽命,更要在機加工方面要做“準篩箱”,保證“ROSTA安裝面5°斜置面、及其面上X型板安裝孔”三者相互位置精度的準確,以滿足“結(jié)構(gòu)更對稱、受力更平衡、效率更充分、性能更穩(wěn)定、壽命更長久”的設(shè)計初心要求。本文重點通過對這一工藝攻關(guān)過程的梳理,總結(jié)出篩箱各主關(guān)加工要素及其形位要求如何準確實現(xiàn)的一些體會。

2 工藝過程

2.1 工藝分析

通過對篩箱(圖一)的分析, 圖1(a)篩箱主視圖上平面中心為工藝基準點,保證A向左視圖中兩側(cè)“ROSTA安裝面、定位邊和槽孔”的位置精度;圖1(b)篩箱K向斜視圖中5°斜置面中心點為設(shè)計基準點,保證K向斜視圖中5°斜置面、安裝斜孔與斜置面中心點的位置度,這兩項最為關(guān)鍵。前提是確定工藝基準點與設(shè)計基準點的相對位置尺寸實現(xiàn)精確轉(zhuǎn)換,也是破解做準篩箱的要點思路所在,即第一設(shè)立“上平面中心即工藝基準點為原點、縱向為X軸、橫向為Y軸、豎向為Z軸”的工件坐標系,平移坐標系,編程加工兩側(cè)ROSTA安裝面、定位邊和槽孔;第二平移坐標系原點(即工藝基準點G)至設(shè)計基準點S:第三空間旋轉(zhuǎn)坐標系,連續(xù)鏡像編程機加工5°斜置面:第四連續(xù)平面旋轉(zhuǎn)坐標系45°,編程加工其上X型板安裝孔,正是通過西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的FRAME功能的坐標系:坐標系的平移、平面二維旋轉(zhuǎn)、三維空間旋轉(zhuǎn)、鏡像等功能,正確實現(xiàn)工藝和設(shè)計基準點的幾何關(guān)系,實現(xiàn)設(shè)計基準、工藝基準、工件坐標系的無縫轉(zhuǎn)換,從而以機床精度保證設(shè)計精度,最終加工出符合圖紙要求的主關(guān)精度。

圖1 篩箱設(shè)計圖

2.2 方案優(yōu)選

表1 兩種方案對比

通過比較,兩種方案各有優(yōu)勢,方案一因為通過基準點的確立從而簡化裝夾定位的次數(shù),并通過優(yōu)化編程方法,充分用足精大稀數(shù)機床精度、效率和功能的重要思路,本文以優(yōu)選方案一為主題展開深入的工藝討論。

2.3 工件校準原理

如圖2所示,設(shè)計有個初心,位于如圖2的CX點,其位置與底框粗基準有關(guān),從而實現(xiàn)與斜置5°后篩箱的重心高度相關(guān),以滿足結(jié)構(gòu)對稱、受力平衡、壽命可靠的設(shè)計要求,并通過平移推導(dǎo)獲得設(shè)計基準S點、中間Z點、工藝基準G點,從而構(gòu)成基準鏈完成保證設(shè)計初心CX的明確實現(xiàn)工件校準的目的就是找到工件在機床的位置,工件校準的目標是粗基準,并通過工件坐標系來體現(xiàn)。篩箱的粗基準是底框(結(jié)合篩箱外形),它向上是“雙層多規(guī)格篩網(wǎng)等距平行”的基準,橫向是“ROSTA安裝面、定位邊和槽孔”的基準,縱向是“進出料箱安裝面”的基準,向下是“工藝基準面和、5°斜置面、及其面上X型板安裝孔”的基準,即如果校準了底框粗基準,也就保證了機床加工的各主面與篩箱設(shè)計初心關(guān)系的正確。

圖2 基準鏈

一般校準時為了保證主關(guān)加工面的余量和均勻,會進行對粗基準的人為調(diào)整,以實現(xiàn)損失部分粗基準和獲得主關(guān)加工面余量均勻的兩借,但從設(shè)計初心的重要性出發(fā),并不建議這樣的調(diào)整,所以應(yīng)更重點提出做準篩箱應(yīng)從毛坯焊接開始的要求,即通過焊接工序圖明確要求和保證粗基準與各主關(guān)加工面的幾何關(guān)系,并要求在5°斜置面及機床上進行3 m內(nèi)打表測量高度差218.72、余量誤差不大于2時,方可繼續(xù)進行校準粗基準、保證各主面孔加工要求的實現(xiàn)。

2.4 刀具校對方法

對刀的目的就是為刀尖找到與工件加工面的關(guān)系,對刀的目標常常是以刀尖為原點,并通過刷新工件坐標系來實現(xiàn),從而實現(xiàn)刀具和加工面的最近關(guān)系、方便直觀地編程加工。由于一般加工都在G17、G18、G19平面坐標系中實現(xiàn),對刀較為簡單,只要提供其對刀基準即可,如在加工篩箱四側(cè)的ROSTA安裝面和進出口料箱安裝面時,只要在對上平面工藝基準面四側(cè)進行對稱加工提供對刀面即可。但對空間坐標系中的加工面,如5°斜置面及其面上X型板安裝孔的加工,仍需要設(shè)計出相對復(fù)雜的對刀的方法和計算,即用對刀頂尖對刀、再利用對刀頂尖與銑刀盤和鉆頭的刀具長度差,計算出相應(yīng)的刀補增量,在工件坐標系進行追加一次平移,實現(xiàn)對不同刀具的不同補償。刀補增量計算如圖3所示。

圖3 刀補增量計算

從圖3中可以看出,刀具相對對刀頂尖可長可短,刀補增量也相應(yīng)可正可負,可以推導(dǎo)出刀補增量計算公式:

ΔX=(L-L0)sin5°
ΔY=0
ΔZ=(L-L0)cos5°

L,刀具長度;L0,頂尖長度。兩者通過對刀儀測量獲得。

對刀方法為在上平面上用對刀頂尖按坐標為(0,k,0)的Q點取一對刀點,萬能角銑旋轉(zhuǎn)斜置5°,利用對刀頂尖和輔助放大鏡、進行對對刀點的細致對刀,然后平移定位至工件坐標系原點、換刀、平移一次刀補增量(ΔX,ΔY,ΔZ)、重置刷新工件坐標系,確立了刀尖中心位于新工件坐標系的原點,從而只要通過換算就可巧妙替代和完成斜置坐標系下的多次復(fù)雜對刀過程。

在五軸聯(lián)動、自動換刀、批量生產(chǎn)的工況下,結(jié)合采用G代碼直接調(diào)用刀補(半徑、長度)的自動補償方式,就可實現(xiàn)不間斷的全過程編程和加工,但在單件即終件、試件即成品,以及更為普遍的無自動換刀的三軸聯(lián)動數(shù)控機床上,往往不采用G代碼直接調(diào)用刀補,而是常常通過對刀、以刀尖中心為原點更新工件坐標系、邊加工和邊測量的方式進行編程和加工,雖加工流暢性和效率有所降低,卻因具有工步獨立、編程簡化、不受坐標系復(fù)雜轉(zhuǎn)換后的影響等靈活優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。

2.5 工藝流程

通過工藝分析,結(jié)合單臺機床方案優(yōu)選、工件校準原理、刀具校對方法等,可導(dǎo)出工藝路線:①工件在機床上定位校準;②以上平面中心點建立工件坐標系,主軸頂銑加工上平面工藝基準面、四周對刀側(cè)邊、點取對刀點;③平移坐標系至兩側(cè)面和端面,萬能銑頭直置、對刀、側(cè)銑兩側(cè)ROSTA安裝面、定位邊和槽孔、以及進出口箱安裝面;④平移坐標系至設(shè)計基準點S,空間旋轉(zhuǎn)坐標系,萬能銑頭斜置、對刀、鏡像、三維插補面銑5°斜置面;⑤平面旋轉(zhuǎn)坐標系,萬能銑頭斜置、對刀、旋轉(zhuǎn)、三維插補鉆削斜面上X型板安裝孔。

3 編程

在數(shù)控加工中有這樣的行話:“編程會坐標,數(shù)控會一半;工件會校準,加工會一半”。所以如何充分運用好西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的FRAME功能(如坐標系平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等)是高效編程的關(guān)鍵,特別是坐標系空間旋轉(zhuǎn)功能,如圖4XY平面繞Y軸空間旋轉(zhuǎn)所示,通過坐標系空間轉(zhuǎn)換,把原來斜面各加工要素的三維編程變成了在平面坐標系進行,實現(xiàn)了化繁為簡、化難為易的計算和編程。

圖4 XY平面坐標系統(tǒng)Y軸空間旋轉(zhuǎn)

以5°斜置面面銑程序為例,見圖5(5°斜置面,為圖1(b)K向視圖)。其流程為:點對刀點→萬能銑頭旋轉(zhuǎn)斜置5°→對對刀點→平移坐標系原點→換刀銑刀盤→平移刀補增量→重置刷新工件坐標系→工件坐標系平移至設(shè)計基準點S→空間旋轉(zhuǎn)坐標系5°→定位刀盤至坐標系原點→面銑5°斜置面(A)→三次鏡像面銑其余5°斜置面。

圖5 5°斜置面

程序如下:

G54G0 X0 Y0 Z0鉆尖中心定位在工件坐標系原點

TRANS X-11.51Y0Z-1.01坐標系平移至設(shè)計基準點

AROT Y5坐標系繞Y軸空間轉(zhuǎn)5度

MIANXI子程序面銑A

AMIRROR X0

MIANXI子程序面銑B

AMIRROR Y0

MIANXI子程序面銑C

AMIRROR X0

MIANXI子程序面銑D

……

以5°斜置面其上X型板安裝孔鉆孔為例,見圖6(5°斜置面X型板安裝孔,為圖1(b)K向視圖)。

圖6 5°斜置面X型板安裝孔

其流程為:銑刀盤回工件坐標系原點→換刀鉆頭→平移刀補增量→重置刷新工件坐標系→定位鉆頭至坐標系原點→平移坐標系至設(shè)計基準點S→空間旋轉(zhuǎn)坐標系5°→平面旋轉(zhuǎn)坐標系45°→鉆孔(A部分)→三次平面旋轉(zhuǎn)坐標系45°鉆其余部分孔。

程序如下:

G54G0 X0 Y0 Z0鉆尖中心定位在工件坐標系原點

TRANS X-11.5Y0Z-1.01坐標系平移至設(shè)計基準點

AROT Y5坐標系繞Y軸空間轉(zhuǎn)5°

AROT Z45坐標系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔A

AROT Z45坐標系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔B

AROT Z45坐標系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG 子程序鉆孔C

AROT Z45坐標系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔D

……

4 結(jié)論

(1)通過在一臺機床上進行一次定位,保證了工件在機床上的調(diào)整時間最短、加工誤差最小,充分用足數(shù)控機床的精度、效率。

(2)通過對基準點的確立,實現(xiàn)設(shè)計基準、工藝基準、工件坐標系的轉(zhuǎn)換,保證了設(shè)計精度與機床精度的最大一致。

(3)通過保證工件對粗基準校準和焊接工序要求,追蹤底框粗基準、設(shè)計初心CX、設(shè)計基準S、中間點Z、工藝基準點G,可達成設(shè)計要求。通過刀具的刀補增量和工件坐標系重置,僅用一次頂尖對刀,可免除斜置的坐標系下復(fù)雜的多次對刀

(4)通過數(shù)控系統(tǒng)的坐標系FAME功能特別是空間旋轉(zhuǎn)功能,保證篩箱主關(guān)加工要素ROSTA安裝面、5°斜置面、及其面上X型板安裝孔三者位置關(guān)系的編程和加工正確實現(xiàn),充分發(fā)揮出西門子數(shù)控系統(tǒng)可靈活編程的特點。

(5)在多臺矩形篩箱的加工中,做到全部合格,成為公司此類超級篩箱加工的典型工藝和一種成熟實用的加工方法。