基于ASX400 銑刀盤(pán)車(chē)銑復(fù)合與五軸加工技術(shù)研究＊

師耀堂

（運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山西 運(yùn)城 044000）

車(chē)銑復(fù)合與五軸加工屬于工程上的多軸加工范疇，相對(duì)于傳統(tǒng)三軸銑床或者數(shù)控車(chē)床，其至少具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)或者定向加工。車(chē)削中心屬于車(chē)銑復(fù)合機(jī)床，由傳統(tǒng)數(shù)控車(chē)發(fā)展而來(lái)，其主軸增加了C軸插補(bǔ)功能，刀架除了車(chē)床的Z軸和X軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)外，還可以增加Y軸運(yùn)動(dòng)功能，如圖1。

圖1 車(chē)削中心結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

ASX400 銑刀盤(pán)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)刀盤(pán)）結(jié)構(gòu)形狀如圖2，選用?65 mm 鋁合金圓柱毛坯分別在車(chē)削中心和五軸機(jī)床上加工。車(chē)削刀具通過(guò)和主軸的90°安裝完成工件外圓和內(nèi)孔輪廓的加工；動(dòng)力銑刀通過(guò)0°安裝完成端面鍵槽加工（圖2 中1 處）；5 個(gè)刀片安裝部位（圖2 中2 處）通過(guò)五軸機(jī)床定向加工完成。以下結(jié)合實(shí)際對(duì)該過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究。

圖2 ASX400 銑刀盤(pán)三維圖

1 刀盤(pán)的車(chē)銑復(fù)合加工

工程訓(xùn)練中心的eco turn 310 車(chē)削中心是DMG MORI公司生產(chǎn)的12 動(dòng)力刀位機(jī)床。因Y軸行程屬于選配功能，機(jī)床只有X、Z和旋轉(zhuǎn)C軸的三軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，X刀軸中心通過(guò)C軸回轉(zhuǎn)中心，相較與具有Y軸行程的機(jī)床，其插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)范圍受到限制。

1.1 XZC 三軸聯(lián)動(dòng)外圓銑削功能分析

外圓銑削時(shí)，采用90°安裝動(dòng)力刀加工。三軸可組成的機(jī)床運(yùn)動(dòng)形態(tài)有X、Z、C軸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，XZ、XC、ZC兩軸聯(lián)動(dòng)，XZC三軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)幾種。其常用加工輪廓形狀如表1。

表1 三軸車(chē)銑復(fù)合外圓銑鉆功能表

數(shù)控編程對(duì)于回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)有兩種控制方式。一種按照ISO 標(biāo)準(zhǔn)以旋轉(zhuǎn)角度值計(jì)量，如圖3a；另一種是將旋轉(zhuǎn)角度展開(kāi)為線(xiàn)性坐標(biāo)計(jì)量，如圖3b，將C軸的旋轉(zhuǎn)角展開(kāi)到Y(jié)軸，換算方式如下，設(shè)回轉(zhuǎn)軸半徑R，有：Y=R·θC[1-3]。

圖3 回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)控制方式

如圖4 所示，在?50 mm 圓柱上銑削25°升角螺旋槽，槽底直徑38 mm，C軸旋轉(zhuǎn)角度±90°，展開(kāi)到Y(jié)軸上得到：Y==29.8，計(jì)算其一半螺距πR×tan25°=27.8，螺旋槽從Z-10 位置開(kāi)始銑削，使用角度控制C軸運(yùn)動(dòng)，編程如下（FANUC 0i系統(tǒng)）：

圖4 外圓螺旋槽銑削

使用旋轉(zhuǎn)角度展開(kāi)到Y(jié)軸，編程如下（SIEME NS840D 系統(tǒng)）：

1.2 XZC 三軸聯(lián)動(dòng)端面銑削加工分析

端面銑削時(shí)，采用0°安裝動(dòng)力刀在XY平面上插補(bǔ)，Y軸作為虛擬軸參與編程。如圖5 所示,端面上的任意點(diǎn)a，通過(guò)C軸的回轉(zhuǎn)和刀具在X軸移動(dòng)到達(dá)銑削位置。所以端面的任意形狀輪廓都可以通過(guò)X、C軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)完成加工。考慮到刀具半徑r，系統(tǒng)X軸和C軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法為：

圖5 端面C、X 軸插補(bǔ)原理

1.3 基于人機(jī)對(duì)話(huà)編程刀盤(pán)的車(chē)銑復(fù)合加工

車(chē)銑復(fù)合機(jī)床采用西門(mén)子840D 數(shù)控系統(tǒng)，配備ShopTurn 人機(jī)對(duì)話(huà)系統(tǒng)來(lái)編程和操作。人機(jī)對(duì)話(huà)的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，編程方便，操作者不需要編程的知識(shí)即可完成加工。一個(gè)ShopTurn 加工程序包括程序開(kāi)頭、程序段和程序結(jié)束3 個(gè)部分。程序開(kāi)頭進(jìn)行整個(gè)程序的參數(shù)設(shè)定，包括毛坯尺寸，工件原點(diǎn)及裝夾位置等信息；程序段設(shè)定各個(gè)加工步驟，包括工藝步驟段、輪廓和定位程序段等，并給出切削方法、刀具選擇、切削要素和加工余量等工藝參數(shù)及輪廓位置數(shù)據(jù)；程序結(jié)束由系統(tǒng)自動(dòng)生成[4-6]。

刀盤(pán)的圖形人機(jī)對(duì)話(huà)編程加工過(guò)程在此不再贅述。完成的工件左端仿真加工結(jié)果如圖6 所示，經(jīng)確認(rèn)無(wú)誤后，準(zhǔn)備毛坯、刀具和設(shè)置工件原點(diǎn)等，在車(chē)銑復(fù)合機(jī)床上完成加工。

圖6 車(chē)銑復(fù)合加工仿真結(jié)果

2 刀盤(pán)的五軸定向加工

實(shí)訓(xùn)中心的TOM1060 型五軸聯(lián)動(dòng)加工中心采用A、C雙轉(zhuǎn)臺(tái)式結(jié)構(gòu)。如圖7 所示，C0為轉(zhuǎn)臺(tái)上表面中心，A0是A軸中心。車(chē)銑復(fù)合完成的零件在C軸轉(zhuǎn)臺(tái)上裝夾，通過(guò)AC軸依次旋轉(zhuǎn)定位，完成刀盤(pán)五個(gè)刀片安裝部位的加工，稱(chēng)為五軸定向加工，也稱(chēng)3+2 軸加工。

圖7 雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 基于UG 刀盤(pán)CAM 過(guò)程

UG 軟件是業(yè)內(nèi)廣泛使用的自動(dòng)編程軟件，其加工編程模塊包括定軸車(chē)、銑和鉆等，還可以進(jìn)行變軸銑削、五軸聯(lián)動(dòng)加工等復(fù)雜路徑零件的加工編程。

啟動(dòng)軟件打開(kāi)刀盤(pán)零件，進(jìn)入加工模塊。設(shè)置工件坐標(biāo)系在刀盤(pán)上平面孔中心位置，Z軸的方向垂直向上，如圖8 所示。選擇已有刀盤(pán)零件和毛坯體。采用固定軸型腔銑工序進(jìn)行大量毛坯去除，設(shè)置刀軸矢量和加工部位底面垂直，設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)后完成一個(gè)刀片安裝部位加工。采用刀軌對(duì)象變換的方法，在圓周復(fù)制相同的工序，完成其余幾個(gè)部位的型腔銑。

圖8 CAM 軌跡仿真結(jié)果

對(duì)于一個(gè)加工部位來(lái)說(shuō)，刀軸為定軸銑削方式，不同部位程序經(jīng)過(guò)后處理所形成的刀軌必然是變刀軸的定向銑削[7-8]。

所有部位軌跡生成后，3D 仿真進(jìn)行驗(yàn)證，如圖8所示。確認(rèn)無(wú)誤后，使用機(jī)床專(zhuān)用后處理器生成G代碼輸入機(jī)床加工。

2.2 五軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床的RPCP 參數(shù)測(cè)量

RPCP（rotation around part center point ）是雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床工件旋轉(zhuǎn)中心編程的簡(jiǎn)稱(chēng)。實(shí)訓(xùn)中心機(jī)床配備的SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)具備RPCP 功能。

2.2.1 系統(tǒng)RPCP 功能解析

軟件在前期CAM 過(guò)程中，被加工的工件保持不動(dòng)，CLSF（cutter location source file）文件記錄的是刀具平移坐標(biāo)和刀軸矢量變換信息，且刀軸的矢量變換以刀位點(diǎn)為中心。實(shí)際加工時(shí)，由于刀具旋轉(zhuǎn)中心（雙擺頭機(jī)床）或者工件旋轉(zhuǎn)中心（雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床）和刀具刀位點(diǎn)不重合，即存在樞軸中心距，使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起刀位點(diǎn)偏移。如圖9 所示，工件需要A 軸旋轉(zhuǎn)θ 加工，圖中虛線(xiàn)表示工件以刀位點(diǎn)T0為中心旋轉(zhuǎn)（刀位點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心重合），不會(huì)產(chǎn)生刀位點(diǎn)偏移，若以A 軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心A0旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生X0和Z0的位置偏移。雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床定向加工雖然只有直線(xiàn)軸在聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)，但由于A、C軸的旋轉(zhuǎn)定位，也會(huì)產(chǎn)生相同的問(wèn)題。

圖9 工件旋轉(zhuǎn)引起刀位點(diǎn)偏移

沒(méi)有RPCP 功能的數(shù)控系統(tǒng)依靠軟件的后置處理來(lái)進(jìn)行上述偏差的補(bǔ)償計(jì)算，刀具長(zhǎng)度、工件坐標(biāo)改變等都需要重新后處理，且工件裝夾時(shí)坐標(biāo)中心和轉(zhuǎn)臺(tái)中心要重合，給編程和加工帶來(lái)不便。有RPCP 功能的數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機(jī)床事先設(shè)定的參數(shù)和編程軌跡位置進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，得到實(shí)際軌跡位置，使編程和加工效率提高。以下給出機(jī)床進(jìn)行RPCT補(bǔ)償計(jì)算需要的參數(shù)的測(cè)算方法。

2.2.2 機(jī)床原始樞軸中心距M的測(cè)算

原始樞軸中心距M是指Z軸零時(shí)刀位中心到A軸回轉(zhuǎn)中心的距離，是系統(tǒng)進(jìn)行RPCP 補(bǔ)償計(jì)算的重要依據(jù)，如圖10 所示。Zf是A軸回轉(zhuǎn)中心到C軸轉(zhuǎn)臺(tái)表面距離，Cz是轉(zhuǎn)臺(tái)上表面到Z軸零位主軸端面距離，是機(jī)床的固定參數(shù)，以下進(jìn)行Zf和Cz的測(cè)量。

圖10 Zf和 Cz和M 值的測(cè)算

（1）百分表固定于機(jī)床主軸端面，指針沿Y方向在轉(zhuǎn)臺(tái)上表面進(jìn)行前后移動(dòng)，并調(diào)整A軸角度，直到指針跳動(dòng)在規(guī)定范圍內(nèi)，表明轉(zhuǎn)臺(tái)水平。記錄此時(shí)的機(jī)床坐標(biāo)A值為工件坐標(biāo)A軸零位置。

（2）分別旋轉(zhuǎn)A軸±90°位置，尋邊器測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)表面的Y1a和Y2a值，得到Zf=|Y1a-Y2a|/2,如圖11所示。

圖11 Zf值的測(cè)量

（3）機(jī)床A軸、Z軸歸零后，轉(zhuǎn)臺(tái)上表面放置Z軸設(shè)定儀。主軸端面接觸設(shè)定儀后得到Z1值,則Cz=|Z1|+50，如圖10 所示。

系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量的Zf和Cz值 ，計(jì)算M=Zf+Cz-L，可見(jiàn)刀具長(zhǎng)度L也是補(bǔ)償計(jì)算的重要依據(jù)，加工前必須輸入系統(tǒng)。

2.2.3A、C軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心坐標(biāo)及偏移距離測(cè)算。

樞軸中心距的存在使刀具編程位置和實(shí)際位置產(chǎn)生偏移，C軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心和A軸旋轉(zhuǎn)中心存在的偏移Yp， 會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生偏差 δy、δz，如圖12 所示。所以系統(tǒng)在進(jìn)行刀位補(bǔ)償計(jì)算時(shí)還要考慮A、C軸偏移距離，以下對(duì)其進(jìn)行測(cè)算。

圖12 A、C 軸中心偏移引起坐標(biāo)偏差

（1）C軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心C0位置測(cè)算。A軸回零情況下，即轉(zhuǎn)臺(tái)水平狀態(tài)。使用尋邊器在轉(zhuǎn)臺(tái)左右測(cè)定X1、X2； 前 后 測(cè) 定Y1、Y2，則Cx=(X1+X2)/2，Cy=(Y1+Y2)/2，如圖13 所示。

圖13 C 軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心坐標(biāo)測(cè)量

（2）A轉(zhuǎn)臺(tái)中心位置測(cè)算。Ax取值和Cx相同。利用章節(jié)2.2.2 中步驟（2）測(cè)量的Y1a、Y2a值，得到：Ay=(Y1a+Y2a)/2。

（3）得到A、C軸中心X向偏移距離XP=Cx-Ax=0，對(duì)偏差沒(méi)有影響；Y向偏移距離YP=Cy-Ay，則產(chǎn)生如圖12的偏差。

系統(tǒng)根據(jù)刀長(zhǎng)L及測(cè)算的Zf、Cz、YP、工件坐標(biāo)、機(jī)床原點(diǎn)等對(duì)編程刀位點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算后得到實(shí)際位置來(lái)控制各軸運(yùn)動(dòng)。需要指出的是，RPCP參數(shù)并不是每次加工都需要測(cè)算，在機(jī)床發(fā)生碰撞、維修、產(chǎn)品精度下降等情況下才重新進(jìn)行標(biāo)定[9-10]。

2.3 工件的裝夾和工作原點(diǎn)設(shè)定

2.3.1 工件的裝夾

因?yàn)锳、C軸旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)和偏移距離參與補(bǔ)償計(jì)算，工件在C軸轉(zhuǎn)臺(tái)裝夾時(shí)的坐標(biāo)中心點(diǎn)不一定和C軸中心重合，只需對(duì)工件找正夾緊即可，使得加工效率提高。

2.3.2 工件坐標(biāo)原點(diǎn)的確定

（1）設(shè)置工件XYZ直線(xiàn)坐標(biāo)的原點(diǎn)和CAM 處理時(shí)的位置一致，坐標(biāo)軸方向符合右手笛卡爾坐標(biāo)系。

（2）A軸零位的確定，上述章節(jié)2.2.2 中步驟（1）已經(jīng)給出。

（3）C軸零位置的確定：在多軸加工時(shí)，工件裝夾后，選擇工件的基準(zhǔn)邊和X軸或者Y軸成一定角度利于加工，可將此時(shí)的C軸角度定為零位置。

工件裝夾和原點(diǎn)設(shè)定后，還需在刀庫(kù)準(zhǔn)備刀具，確定刀具長(zhǎng)度等工作完成后，使用后處理完成的G代碼驅(qū)動(dòng)機(jī)床加工，最后完成銑刀盤(pán)的加工，如圖14 所示。

圖14 加工完成的刀盤(pán)零件

3 結(jié)語(yǔ)

裝備制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，車(chē)銑復(fù)合與五軸加工機(jī)床都屬于較先進(jìn)高端制造裝備，在我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)過(guò)程中扮演著重要角色。本文通過(guò)車(chē)銑復(fù)合機(jī)床和五軸機(jī)床完成刀盤(pán)的加工過(guò)程，闡述相關(guān)方法和原理，結(jié)合實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，為從事多軸加工技術(shù)人員提供技能經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)作用。