錐體內腔多軸數控銑削加工工藝技術

劉 宏

LIU Hong

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，綿陽 621900）

0 引言

隨著武器裝備技術的不斷發展，武器產品及大型試驗裝置加工的發展趨勢是零件結構更加復雜，材料更加先進，對交付時間、價格和質量的要求更加苛刻。為了滿足武器產品加工的快捷性、高柔性、高生產率以及高質量要求，常常采用多軸數控機床加工實現武器產品快速研發。

錐體是我所武器產品某項目中的一個重要部件，內腔為不規則型腔，在結合產品結構尺寸、加工方式以及現有設備的基礎上，選擇多軸數控臥式鏜銑加工中心進行內腔型面的銑削。多軸數控機床運動關系復雜，如何在多軸數控機床上實現錐體內腔的銑削，涉及工藝實現方案、銑削路徑規劃、數控程序編制以及程序安全性校核等方面的關鍵技術，文章結合這幾方面技術開展錐體內腔多軸數控銑削加工工藝技術研究。

1 工件內腔結構特點簡述

錐體部件為壁厚2.5mm、長約1300mm錐筒型薄壁殼體結構件，其內腔深長，結構較復雜，需要銑削加工部分的結構要素包括加強筋、錐面環形筋、錐面、圓凸臺、法蘭背面以及銜接各結構要素之間銜接圓弧R5，內腔銑削部分結構要素如圖1所示。錐體在進入內腔銑削加工前的毛坯狀態如圖2所示，最大位置毛坯去除量為55MM。

2 工藝方法及多軸銑削的技術難點

2.1 采用增加機床擴展軸的銑削工藝方法

圖1 錐體內腔銑削部分的結構要素

圖2 銑削前的毛坯狀態

錐體內腔加工中，所需運動軸包括：沿錐體軸線運動的Z軸、兩徑向運動的X軸和Y軸、實現360°加工的繞錐體回轉軸線旋轉的C軸、同時需要一個與回轉軸線成90°的刀具角度轉換裝置來解決加工面與主軸成一定角度關系的問題。

現有設備臥式多軸鏜銑加工中心機床具備加工內腔型面的X、Y、Z軸以及C軸，但不具有角度轉換裝置，因此，給機床擴展配置角度轉換裝置，擴展其加工能力，滿足錐體內腔型面的加工，圖3是角度轉換裝置結構圖。圖4是擴展了角度轉換裝置的臥式多軸鏜銑加工中心與工件的位置關系圖。

圖3 角度轉換裝置

圖4 機床與工件的位置關系圖

2.2 多軸銑削的技術難點

錐體內腔多軸數控銑削加工中存在的技術難點：

1）切削工藝路線規劃與最優不干涉刀具長度測算。在內腔法蘭與加強筋銑削過程中，極易出現刀具或夾頭與工件干涉碰撞，需進行加工刀具長度優選，并兼顧質量和效率來規劃切削工藝路線。

2）帶擴展軸的多軸數控加工程序編制。多軸加工過程中，刀具基準點是動態變化的，采用常規的編程方法不能完成內腔結構的多軸銑削，需結合機床增加的擴展軸以及錐體內腔結構，實現刀具基準點在程序設計中的坐標轉換與計算。

3）內腔加工數控程序的安全校核和質量控制難度較大。內腔加工過程中，不能直觀觀測加工過程中的干涉和碰撞，同時由于工件結構大，采用試切帶來材料、人力和時間的大量浪費，且無法避免試切過程的撞機風險，需在加工仿真環境進行數控程序的加工可靠性分析。

3 內腔多軸銑削工藝措施

3.1 工藝路線

結合內腔結構特點與錐體零件的整體加工工藝，考慮內腔銑削工序的粗加工去除量大，最大達到55MM，精加工時錐體壁薄易變形等因素，并綜合考慮加工質量、加工精度以及加工效率，兼顧角度裝換裝置的切削承力，制定出內腔銑削工藝路線：

1）粗銑型腔。以效率為重點考慮因素，采用Φ16立銑刀進行型面的粗銑，粗細后型面留量2.5MM；

2）半精銑型腔。此序是在錐體內腔其他各型面加工完成后進行，兼顧效率與質量，選擇Φ16球刀進行加工，在程序設計上控制切削量與切削路徑，半精銑后型面留量0.5mm；

3）精銑型腔。保證各結構要素與銜接R的完整過渡，采用Φ10球刀進行R5的清根與精銑型面同時完成，實現型面質量完整控制。

3.2 切削路徑規劃

多軸加工切削模式與切削路徑關系到加工質量與效率，結合工件結構要素、刀具種類與粗精加工工序分別進行不同規劃。

粗加工重點考慮效率，采用分區域的型腔分層銑的加工方式去除毛坯量，并采用往復直線切削方式提高走刀效率。半精加工，既要考慮加工質量，又要兼顧效率，采用沿曲面分層銑削的方式加工，加工完成后，保證曲面各向留量均勻。精加工是完成曲面最終加工和各銜接R的清根，采用輪廓銑的曲面驅動方式加工整體銑削曲面，一次走刀完成來保證曲面整體性。圖5為錐體切削路徑示意。

圖5 錐體內腔切削路徑示意圖

3.3 多軸銑削加工程序設計要點

錐體內腔多軸數控銑削程序設計中，涉及了幾個與常規編程方法不同的幾個問題，主要包括多軸加工的坐標關系問題、帶角度轉換裝置的刀具長度補償問題。

1）多軸加工的坐標關系及基準要素問題

多軸加工中涉及坐標系包括四類：機床坐標系、工件加工基準坐標系、旋轉坐標系與帶角度頭的刀具坐標系。機床各坐標系的位置關系如圖6所示。

圖6 配置角度轉換裝置的多軸坐標關系圖

工件加工基準坐標系包括兩個要素：1）Z軸方向與錐體軸線方向平行，Z0設置在工件法蘭端面；2）在Z軸方向確定的基礎上，Y、X方向由機床坐標關系自動確定，X0、Y0設置在圓錐橫截面中心，如圖7所示。

旋轉基準坐標系要素：旋轉基準坐標系決定錐面回轉角度的起點，C0的設置保證錐體軸線與X軸平行，如圖7所示。

帶角度轉換裝置的刀具基準坐標系要素：確立刀具的基準點，建立刀具基準點與加工坐標系之間的關系，由于錐體內腔的360°加工，刀具在XY平面需進行360°旋轉，因此刀具基準點在加工過程中，是動態變化的，隨著加工角度的變化而變化。動態變化的刀具基準點坐標系如圖8所示。

圖7 工件坐標系與旋轉坐標系基準

2）帶角度裝置的刀具長度補償問題

通常在數控系統中，刀具軸線與主軸方向一致，刀具長度補償僅僅沿著主軸的單一方向進行，數控系統通過設置的刀具長度自動進行補償，其補償長度為刀具端面距離主軸端面的距離，如圖9中的LZ所示。

圖8 動態變化的刀具基準點

圖9 常規刀具長度補償長度

然而帶直角轉換裝置的刀具軸線與主軸成90°位置關系，影響數控程序運行的刀具長度包括兩個方向：一個是以刀具軸線與主軸線交點位置與主軸端面的距離LZ，一個是刀具端面到主軸中心線的距離LT，如圖10所示。那么刀具長度補償就包括LZ與LT兩個方向，其中LZ可以通過機床自動設定，LT需通過數控程序中變量設置與計算來實現補償。

3.4 數控程序安全性校核

數控程序安全性校核，主要實現刀具長度優選以及加工可靠性分析。

圖10 帶角度裝置的刀具長度補償

1）刀具長度優選

錐體內腔銑削過程中，直角裝換裝置易與錐體法蘭和加強筋產生干涉，這就對刀具長度提出了要求。但是刀具懸伸過長，在切削過程易出現顫動，且切削剛性較差，怎樣選擇最短不干涉狀態的刀具長度是加工前必須要解決的問題。通過設置最長刀具，進行多次對分法并進行仿真實驗，確定出最合理的刀具長度。對加工錐體內腔的所有刀具進行長度優選后獲得的數據如表1所示。

表1 錐體內腔加工刀具的最優長度

2）加工可靠性分析

加工可靠性分析是通過加工過程分析以及加工質量檢測分析來實現的。

加工過程分是分析加工過程中出現的刀具夾頭或機床與工件出現的干涉、碰撞以及過切等現象，通過將加工數控加工程序導入機床仿真環境中進行模擬仿真實現。圖11是粗加工程序可靠性分析中出現過切現象的一個樣圖，仿真系統給出紅色圖示的報警以及程序段落的說明。

圖11 粗加工數控程序可靠性分析圖

加工質量檢測分析是通過仿真分析進行預測加工結果是否符合設計要求，分析的內容包括：材料切除分析與各幾何要素加工完成后的實際尺寸測量等。材料切除分析包括過切與欠切分析，圖12為零件質量檢測分析圖，其中過切分析閥值為0.005mm，欠切分析閥值為0.01mm，分析結果如圖12(a)所示的材料切除分析圖；各幾何要素加工完成后的實際尺寸測量采用分析零件特征尺寸，特征數據樣表如圖12(b)所示。

圖12 零件質量檢測分析圖

4 加工效果

錐體內腔銑削在保證程序正確性的基礎上，進入實際加工，完成了錐體內腔的各個幾何要素的加工。圖13列出了實際加工過程的粗精工的切削效果圖。

圖13 錐體內腔實際加工過程切削效果圖

5 結語

以錐體內腔加工工藝方法為基礎，程序規劃控銑削保質量、保效率的安全可靠加工方法。經過實際應用，得出如下結論：

1）錐體內腔數控銑削工藝規劃合理、方法可靠，能保證產品合理加工。

2）編制的帶擴展軸多軸數控加工程序兼顧了切削效率與曲面整體質量，規劃的切削路線合理可靠，保證了產品的加工質量和效率。

3）通過數控程序仿真分析與優化，解決了復雜數控程序校核的難點，減少了現場調試程序帶來的風險和時間，保證了產品質量以及機床、產品的加工安全性。

4）錐體內腔多軸數控銑削加工工藝方法能為后續產品的穩定生產提供可靠的技術保障。