五軸機床框架類零件的加工

■ 航空工業成都凱天電子股份有限公司 （四川成都 610091） 李 浪 易 翔 鄧海軍 肖水濱

五軸機床加工精度檢測及優化一直是業內研究的熱點和難點，成為影響產品加工質量及效率的關鍵。其中對機床加工精度的影響因素中，靜態精度檢測與補償已有大量標準，而動態精度由于受機械和控制系統兩方面影響，其檢測和優化則一直未能得到有效解決。

在常見的精度檢測方法中，直線度、垂直度等基本的精度檢測只能反映機床靜態精度，而數控系統中常見的螺距補償、垂度補償等也主要針對機床靜態誤差。基于試驗件切削的樣件法只能部分反映機床動態精度，無法對動態精度調整提出有效建議，且許多試件試切合格的機床，加工復雜零件時依然存在明顯問題。

另一方面，傳統生產過程中，通常基于經驗和反復試驗的方法制定加工工藝，保證零件的加工精度，但周期長，成本高。若能在加工前準確預測零件的加工精度，則可替代試切環節，縮短生產周期，降低成本；還可以用于指導工藝方案的優化，合理選擇加工設備和加工參數，在保證零件加工精度的同時使制造資源得到最大化利用，從而提高生產效率；本文通過選取典型的航空框架類零件進行加工分析，通過對運用五軸數控加工中心加工產品進行提煉，總結出了關于航空框架類產品的加工工藝方法及五軸數控加工中心的誤差補償和在線檢測的應用。

1. 框架類零件的加工分析

鑄造鋁合金材料因其良好的抗腐蝕性、流動性和切削加工性能，適合鑄造薄壁、形狀復雜和強度高的框架等各類零件。因其切削加工性好，不粘刀，不易形成積屑瘤，易獲得較好的表面粗糙度，廣泛用于航空航天領域。

（1）零件加工難點分析 如圖1所示，該零件是飛機上的慣導機箱外殼，屬于框架類鑄件，材料為鑄造鋁合金（ZL101）。

圖1 外框三維數模

零件外形尺寸為408.5mm×377mm×219.5mm，其尺寸精度和形狀精度要求高，其主要尺寸精度和形狀精度參見圖2中被圈尺寸，各尺寸及形狀精度標注如圖2所示。

圖2 外框尺寸（局部）

外框外形尺寸408.5m m×377mm×219.5mm，較常規加工零件大，因此其裝夾固定是難點之一。當前機床所配套的角鐵、方箱均不能滿足零件的裝夾。外框外形以不規則曲面為主，同樣不便于裝夾定位。外框兩組相交垂直孔系孔徑大、要求高，需要采用鏜的方式加工；同時，孔與孔之間間距均在350mm以上，相距遠，三軸加工，對裝夾要求極高，很難保證。

通過分析，該零件壁厚較厚，不屬于薄壁零件，加工變形相對較小，但是受到零件外形尺寸大的影響，即使相對較小的變形量在經過長距離尺寸的放大后，對零件加工精度的影響仍然是一個不可忽視的環節。不僅如此，高精度的幾何公差要求諸如垂直度、位置度極易受到環境、操作、裝夾定位和夾緊力等各方面的影響，采用多次裝夾、找正補償的方式，質量不易控制，周期還很長。

（2）測量難點分析 外形尺寸408.5mm×377mm×219.5mm，可選擇行程為600mm的測高儀直接測量，而尺寸（366±0.02）mm、（372±0.02）mm則無法直接測量，若通過尺寸轉換測量，則誤差較大，不能滿足尺寸公差±0.02mm的要求。幾何公差普通量具及測高儀均無法測量。所以，尺寸（366±0.02）mm、（372±0.02）mm以及各幾何公差均需三坐標計量中心計量。

三坐標計量中心可以解決零件的測量，但是受到三坐標測量環境的制約，無法將三坐標直接搬到現場配套加工測量零件。另一方面，加工一件，測量一件，存在重復裝夾增大裝夾定位誤差引起尺寸變化、零件質量不穩定的問題，而且對生產效率影響較大，無法連續作業。

2. 外框的五軸加工工藝分析

外框的五軸加工工藝分析如下所述。

（1）DMU 80五軸加工中心簡介 D M U 80是一臺配備Heidenhain TNC 530數控系統的進口高性能高速五軸五聯動的數控機床，可以同時控制X、Y、Z、B、C 共5個坐標軸。該五軸加工中心為全閉環控制，采用德國Heidenhain公司的直線光柵尺（X、Y、Z）和圓光柵（B軸、C軸）作為位置反饋元件。機床X、Y、Z軸為直線軸，分辨率為0.001mm。B軸和C軸為旋轉軸，連續分度全閉環控制時，其最小分度數可達到0.001°。該機床的X、Y、Z軸的定位精度可達0.008mm。可以在一臺機床上利用一次裝夾完成大部分或全部切削加工，以保證工件的位置精度，提高加工效率。五軸數控機床在國內外的實際應用表明，其加工效率與兩臺三軸機床相當。

五軸數控加工中心的發展應用成為衡量一個企業先進加工制造的重要參考條件。分廠引進五軸數控加工中心，主要用于科研生產和外部市場的新品開發，并成立專門的五軸加工技術科研團隊進行多方面技術攻關和研究，參加各類學習、展覽和比賽，取得了豐碩成果。尤其是在五軸加工中心機床誤差補償、機床在線檢測等方面。

（2）外加工裝夾分析 通過前文的外框加工難點分析可知，外框外形結構特殊，以不規則曲面為主，無法進行定位裝夾。通過在外框上增加四處用于裝夾定位的工藝凸臺，有效解決了零件的裝夾難題。如圖3所示。

圖3 外框工藝凸臺

同時，通過在工藝凸臺上加工四處安裝螺釘的過孔，可將零件安裝到基礎板上。使得零件裝夾可靠，定位準確。

（3）加工過程分析 在多坐標加工中，由于旋轉運動的影響，機床各軸線性插補的合成運動會使實際刀位運動偏離編程直線，該誤差為非線性加工誤差。在五軸機床加工過程中，非線性誤差不可避免。因此，必須對非線性誤差加工控制，通過誤差補償的方法使其對產品加工的影響減小到最小。

1）加工準備。通過3 D QUICKSET功能應用，可以快速檢測和補償加工區內運動特性和旋轉精度。①用標準塊校準探頭長度與工作臺面間的機械坐標。②用標準環規檢測探頭在主軸上是否跳動，（如跳動超過0.004mm要對探頭下四個螺釘進行調整）。③在M D I里面打開用389循環（CYCLE DEF-翻頁-DECELMACHO-389）。④通過編輯→MOD→輸入密碼807667→程序管理→enter→KINEMATIK→URSPRUNG查看并在MDI模式下執行m301確認數據補償。

Q320=25.0026（表示3D QUICKSET 圓球的直徑）；Q321=1，做B軸校正；Q322=1，做C軸校正；Q324=角度；Q325做Z軸校正；Q326 表示校正值是否寫入機床系統參數里面。

此類方法可測出非線性誤差，并進行修正，可顯著地減小加工的非線性誤差，使線性誤差控制在可接受范圍內，使其對產品加工的影響降到最小。具體如圖4～圖7所示。

圖4 校正接觸式測頭

2）加工過程。①測量零件X，Y，Z，端面到中心的距離并做記錄。②用M8螺釘把零件拉緊在墊高板上，用百分表拉直工藝凸臺。③找正三個端面，偏移測出的值，把坐標中心設在四孔連線上（中心設在四孔連線上，目的是為了后面編制檢測程序方便計算）。④在程序自動運行模式下， 通過3D測頭運用CYCLE 421、CYCLE 4217循環，檢測零件坐標中心是否在四孔連線，如有差異，微調坐標系里面的值，把零件位置確定。⑤選用三刃10mm立銑刀，只對零件端面進行加工，側面留余量0.1mm，切削參數選用轉速n=2 400r/min、進給速度vf=6 0 0 m m/m i n、進給量fz=0.083mm/z。⑥調用鏜刀對零件孔徑進行加工，留余量0.3mm（粗加工留余量0.6mm，鏜孔加工可以起到修正偏心，獲得精確的孔位置，取得高精度的圓度，圓柱度和表面粗糙度，鏜刀材料為高速鋼，會出現顫振現象，所以切削用量不宜過高，一般深度0.1～0.5mm，速度12～30mm/min，進給量0.05～0.3mm/z，vf＝nzfz，選用切削參數n=240r/m i n、vf=24mm/min）。⑦調用檢測程序對零件進行測量，根據測量結果通過CYCLE DEF7.0 CYCLE DEF7.1、CYCLE DEF7.2或者刀具長度補償進行微調。⑧對零件端面、孔徑進行加工 ，最終保證零件加工尺寸。

圖5 B軸檢測

圖6 C軸的檢測

圖7 機床系統參數界面

（4）外框零件在線檢測分析 步驟：①調用3D測頭用宏程序421循環，分別對四個孔進行測量，測量完后會彈出一個對話框，對話框里會顯示孔徑的大小，空的現在位置與理論位置之間的差異值是多少。如果現在位置不能滿足圖樣要求可通過CYCL DEF7.0、CYCL DEF7.1、CYCL DEF7.2、 CYCL DEF7.3進行微調。②調用3D測頭用宏程序427循環，對零件的端面進行測量，根據測量的現有位置，如有差異，通過刀具長度補償進行微調。

程序如圖8、圖9所示。

圖8 X 、Y方向測量程序

圖9 Z方向測量程序

通過3D在線測量結果與三坐標的差異對比：孔徑0.005mm，空間尺寸0.0 1 m m，長度0.01mm，能保證零件加工精度。

在線測量分為兩種情況，一種為直接調用基本宏程序檢測。而另一種則要自己開發宏程序庫，借助計算機，編制系統隨時生成檢測程序，然后傳送到數控系統中。兩者的區別在于數控系統是否與計算機系統相互通信。測量系統由接觸式測頭、信號傳輸系統和數據收集系統組成，接觸式測頭具有造價低、容許超程量大、結構堅固、工作安全性高、抗干擾能力強和在機床環境中耐用和可靠性好等優點，在實際檢測過程中得到了普遍應用。利用程序控制接觸式測頭對工件進行在線檢測測量，可方便工件的安裝調整，大大縮短輔助時間，提高生產效率；可在加工過程中進行尺寸測量，根據測量結果進行加工，確保質量的同時提高加工效率。基于調用宏程序控制的五軸數控加工中心在線檢測已在科研生產中得到有效運用。

3. 結語

通過對框架類零件采用增加工藝凸臺的工藝方法以及對機床的非線性誤差補償，減小機床非線性誤差對加工的影響，并在加工過程中運用在線測量，有效地解決了框架類零件在加工過程中重復定位造成的誤差，提高了生產效率。五軸設備對框架類零件的過程控制，使得對同類型高精度的鑄件零件的加工有很好的借鑒作用，并在實際生產過程中運用于其他類似框架類零件，取得很好的效果 。