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2017年5月19日

【技術動態】五軸數控鏜銑加工中心在斜面加工中的應用 - 加工中心

1、引言隨著社會的進步，科技的發展，出現了高性能的五軸精工銑加工中心，精工系統都具有空間坐標系旋轉以及斜面刀具補償功能，從而為一些需斜面加工且加工精度比較高的零件加工提供了可能。在斜面上加工時，由于坐標系在空間發生變化，加工程序編制困難，需突破常規的編程思維模式進行編程，而且對程序進行特別處理，本篇結合型號產品的實際加工來討論此問題。在型號產品的生產過程中經常會遇到此類零件，需在斜面上進行打孔、鏜孔、銑削形狀，或者在同一次裝夾中需要在不同方向和不同斜度的若干斜面上加工，且每個斜面間有較高的形位公差要求。常規的加工此類零件的方法是扳動床頭、轉動工作臺面或者使用組合夾具，若加工方向或者加工位置不同則需要二次裝夾，重新找正，加工過程異常繁瑣，由于裝夾定位和機床本身的限制，無法保證零件的加工精度。如在T××的臺體加工中，斜面上的孔系較多，且異形面不好裝夾，定位基準不好，多次裝夾造成誤差積累，有時孔的邊距誤差超過了1mm。2、斜面加工工藝分析及解決方案為解決此種零件的加工問題，通過不斷摸索和工藝方法的不斷改進，并結合工廠現有機床，后選用五軸精工銑加工中心來解決此問題。所選機床為五軸五連動，除 3個線性軸外，還帶回轉工作臺(C軸：-360°～360°)和擺頭(B軸：0°～110°)兩個回轉軸，采用控制系統為FANUC160i，具有空間坐標系旋轉和斜面刀具補償功能。從實現斜面加工的角度來看，在一次裝夾中可完成不同方向、不同角度的多個斜面的打孔、鏜孔、攻絲、銑削等多種加工的需要。減少了裝夾次數，降低了勞動強度，縮短了產品的生產周期，更重要的是提高了零件的加工精度，保證了產品質量的一致性。以長三系列某基座類零件的窗口加工為例，零件如下圖所示：要加工此窗口，可以看出，機床應該完成一個在XZ、YZ平面上2軸聯動的插補和一個主軸的擺頭動作。因為要使刀具和加工面垂直，必須使主軸完成一個擺頭動作，有擺頭，就牽扯到擺長等一系列的多軸加工問題。因此要使用多軸程序的編制手段來完成，編程和機床調試難度大，給程序編制者和機床操作者提出了更高的要求，在實際應用中，考慮到保證機床安全等方面的因素，需模擬加工過程，多次空切，確保程序無誤，才能進行正式加工。此外，多軸的程序算法相當復雜，需考慮擺長等因素的影響，針對某一機床必須有特定的后處理，但后處理往往因為算法和控制位置的不同，以及計算穩定性方面的影響，經過軟件后處理所得的程序在控制精度方面常常難以滿足零件圖紙精度的要求。分析可看出，造成編程難度增加的直接原因是斜面的出現，因此，如果可以使加工平面與斜面重合，那么此類問題就轉化為一個兩軸半加工的編程問題，編程難度大大降低。因此，可以想到，首先使用機床的坐標系轉換功能(G68指令)來使加工平面與斜面重合，第二使用刀具長度補償指令(G432)，在斜面的垂直方向加上刀長，經過以上處理后，使斜面加工問題轉化為平面加工來解決，從而編程難度大大降低。若同時需要加工多個斜面時，只需轉動C軸到C0(工作臺的零位，該零位方向與主軸擺動方向相同)，再通過旋轉坐標系和加刀長來實現加工。如果加工形狀比較簡單，通過手工便可以完成編程工作。從而使得在精工機床一次裝夾中，實現在多個斜面、多個工位、多次換刀的加工變成可能。程序結構如下：%N0100 O0008(程序名)N0102 M6 T1;(換刀)N0104 G0 G90 G56 X400 Y200 Z260 B0 C0;(運動到參考點)N0106 G432 X200 Z150 H1 Bω;(在垂直于斜面的方向加刀長)N0108 M3 S3000;(主軸正轉)N0110 M8;(打開切削液)N0112 G68 X188 Y0 Z60 I0J1 K0 Rω;(坐標系轉換，ω為主軸從零轉到與斜面垂直時所轉動過得角度)… …N0200 G69;(坐標系旋轉取消)N0202 G492 X200 Z300;(斜面刀具補償取消，運動到安全位置)N0204 M9;(切削液關)N0206 Cα;(C軸旋轉，α為所要加工的第n個斜面的垂線與C0位置所夾的最小角度)N0208 G0 G90 G56 X400 Y200 Z260 B0 C0;(運動到參考點)N0210 G432 X200 Z150 H1 Bωn;(在垂直于斜面的方向加刀長)N0212G68 X188 Y0 Z60 I0J1 K0 Rωn;(坐標系轉換，ωn為主軸從零轉到與斜面垂直時所轉動過得角度)… …N0200 G69;(坐標系旋轉取消)N0202 G492 X200 Z300;(斜面刀具補償取消，運動到安全位置)N0204 M9;(切削液關)N0204 M30;(程序結束，返回到程序頭)3、復雜斜面加工的進一步討論再討論第二個問題，可以看到，雖然在上述討論中實現了斜面加工，但是僅限于在斜面上打孔、鏜孔、攻絲、銑削由直線和圓弧構成的簡單形狀，局限于手工編程。如果銑削形狀比較復雜，如在斜面上銑削方程曲線，三維曲面、刻字，又該如何去編制程序?類似的這些形狀即使在平面上加工時，手工編程也是無法做到的，只有通過CAM軟件來完成。通過對機床和CAM軟件的仔細研究，摸索出一套軟件編程結合手工編程的辦法來完成此類零件的加工編程的有效途徑。分析可知，在普通的三軸銑編程中，刀軸方向始終與XOY平面垂直，但是當主軸偏離原來的豎直方向時，刀具平面發生傾斜時，如何才能使在XOY平面上生成的程序在斜面上正確運行。分析可知，盡管坐標系發生了旋轉，但是如果使在XOY平面上所做圖形(a)在原坐標系中的相對位置與斜面上要加工的形狀(b)和新坐標系中的相對位置保持一致，那么在XOY平面上所生成的程序可直接應用到斜面加工中。根據機床擺頭動作對圖形位置的影響，分析可知，在XOY平面上作圖時，應使圖形以編程原點為旋轉中心逆時針旋轉90°(旋轉角度應根據機床等具體情況來定)，這樣就使在CAM軟件中的圖形位置與實際加工的位置保持一致。通過添加和修改程序頭和程序尾，即增加坐標系轉換和斜面刀具補償，就使得軟件編程和手工編程結合起來，從而實現了在斜面上銑削方程曲線，三維曲面、刻字等任意復雜形狀的加工。通過在實際加工驗證，證實該方法在機床功能及行程的許可范圍內應用該種方法編程可實現任意斜面上任意復雜形狀的加工編程。4、結論在本廠型號產品的生產過程中，多次應用該方法解決了多項加工難題，為斜面類零件的加工提供了一條全新的解決途徑，不僅提高了斜面類零件的加工精度和加工效率，并且為工廠帶來較大的經濟效益。綜上所述，此種編程方法的主要優勢體現在一下幾個方面：(1) 解決了斜面類零件的精工加工問題(2) 解決了斜面加工的精度問題(3) 簡化了斜面加工的編程問題(4) 解決了在斜面上銑削任意復雜形狀的加工問題(5) 提高了斜面加工程序控制精度問題編程思路的轉變，不僅使編程者在編程思維模式上有更新的認識，而且在開發機床性能，提高精工機床的使用率方面也發揮出不小的作用。此加工思路提出，解決了多種型號產品相關零件的加工及加工精度問題，為進一步提升總體產品的性能提供保證，為型號產品的加工逐步走向數字化做出應有的貢獻。