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異形零件四軸數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用

2021-3-2 來源：天津航空機(jī)電有限公司作者：王旭，鐘洪彬，馮紹富

摘要：通過對異形零件的整體結(jié)構(gòu)分析，明確加工難點，制定合理的加工工序，結(jié)合精益生產(chǎn)理念完成加工過程。外型加工采用四軸數(shù)控加工方法，利用CATIA-CAM數(shù)控編程模塊完成前置處理加工軌跡創(chuàng)建，生成APT文件，利用機(jī)床后置處理技術(shù)將刀位軌跡轉(zhuǎn)換成機(jī)床識別的數(shù)控加工程序，再利用VERICUT軟件對加工程序刀具路徑進(jìn)行仿真，最后在四軸數(shù)控機(jī)床上完成加工驗證。

關(guān)鍵詞：異形零件；精益生產(chǎn)；四軸數(shù)控；VERICUT

本研究涉及的異形零件用于通過測量流體壓差而確定流量的裝置，其結(jié)構(gòu)是由等直徑入口段、收縮段、喉道、擴(kuò)散段組成，是先收縮而后逐漸擴(kuò)大的管道，測量其入口截面和最小截面處的壓力差，再利用伯努利定理求出流量。目前在航空航天產(chǎn)品、船舶、熱電、電力等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。具備對流體產(chǎn)生的阻力小，壓差大、精度高、測量范圍寬，穩(wěn)定性好、有平滑的壓差等特性。異形零件屬于典型的薄壁鋁合金零件，腔體壁厚為 2mm，材料切除率高達(dá) 80% 以上 , 在加工過程中極易產(chǎn)生變形 , 且在殘余應(yīng)力作用下零件很容易發(fā)生整體的彎、扭以及翹曲變形。

前期整體加工驗證采用五軸數(shù)控機(jī)床完成，為對提升核心零件加工能力的整體要求，五軸整體加工周期較長，機(jī)床占用率較高。經(jīng)研究改變了零件加工方案，在加工方法上進(jìn)行創(chuàng)新，利用四軸數(shù)控編程技術(shù)代替原有的五軸加工，對三軸數(shù)控加工中心進(jìn)行了改造升級成為四軸聯(lián)動機(jī)床，結(jié)合多臺數(shù)控車床設(shè)備將零件的加工工序進(jìn)行分解，依據(jù)分解工序建立精益單元加工工位，按照精益單元的生產(chǎn)模式進(jìn)行節(jié)拍式、動態(tài)加工和管理，形成異形零件流水加工生產(chǎn)線。與傳統(tǒng)的五軸加工過程相比較，以小批10 件加工模式為例效率提升 75% 左右。其中異形零件精益單元加工過程的關(guān)鍵技術(shù)、難點問題集中在四軸曲面加工，異型零件腔體外表分布著形狀各異的支柱接口，其尺寸精度、外觀表面要求較高。同時四軸數(shù)控機(jī)床與五軸數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)床的結(jié)構(gòu)、運動特性發(fā)生改變，導(dǎo)致四軸機(jī)床刀具擺動、工作臺旋轉(zhuǎn)受限，編程難度增加。

1、異形零件結(jié)構(gòu)特點描述

異形零件作為流量溫度傳感器的一部分，零件包含曲面、異形槽、異形安裝座、圓周分布的聯(lián)接螺柱和安裝孔、高低壓接口等特征。結(jié)構(gòu)特點如圖 1 所示。

圖1 異形零件結(jié)構(gòu)圖

①高、低壓管接口異形零件外形曲面上分布著高、低壓管接口，由于氣流從等直徑入口段進(jìn)入，經(jīng)過孔徑收縮變小、吼道階段過渡，氣體通過吼道的速度越大，產(chǎn)生的氣體流量壓力越小。相反經(jīng)過孔徑擴(kuò)張變大，吼道階段過渡，氣體通過吼道的速度越小，產(chǎn)生的氣體流量壓力越大。

②固定安裝支柱高壓區(qū)、低壓區(qū)各一個固定安裝支柱，結(jié)構(gòu)尺寸一致，中心位置進(jìn)行保險孔位加工，起到固定配合部件的作用。

③感溫部件接口接口尺寸與感溫部件連接，內(nèi)孔進(jìn)行螺紋加工，支柱高度及螺紋深度與感溫部件結(jié)構(gòu)相關(guān)，且在感溫部件接口側(cè)后方 45°位置有保險孔位加工。起到固定配合部件的作用。

④密封接口密封接口分為入口端和出口端，且均與密封圈連接，加工尺寸精度要求較高，確保氣體流量在入口端、出口端無泄漏現(xiàn)象，否則會對內(nèi)腔氣體流量壓力產(chǎn)生失壓現(xiàn)象，導(dǎo)致高、低壓管接口輸出端氣流壓力不準(zhǔn)確。

⑤上、下蓋板安裝槽異形零件正反面平臺內(nèi)側(cè)均勻分布 U 型槽，局部位置與焊接支柱連接，通過焊接加工工藝方法固定，成型后螺釘擰緊上、下蓋板零件，封閉與文丘里管連接的零部件及其它測試產(chǎn)品。

2、精益加工過程

本研究涉及到的異形零件在加工過程中按照先粗后精，先內(nèi)后外，先關(guān)鍵基準(zhǔn)后其他的原則，以內(nèi)孔中心軸線作為各工序的基準(zhǔn)，減少加工過程中定位基準(zhǔn)變換。加工工藝方法分為普車粗加工，數(shù)控車加工型腔內(nèi)孔及輪廓外形曲面，四軸數(shù)控銑加工外形曲面及分布的支柱接口，工藝路線劃分為：5 工序備料→ 10 工序車加工→ 15 工序數(shù)控車→ 20 工序數(shù)控車→ 25 工序數(shù)控車→ 30 工序數(shù)控銑→ 35 工序數(shù)控銑→ 40 工序數(shù)控銑→ 45 工序數(shù)控車→ 50 工序數(shù)控車→ 55 工

序鉗工→ 60 工序洗滌→ 65 工序檢驗，加工過程示意如圖 2 所示。

圖2 加工過程示意圖

精益單元加工中涉及到普通車床、數(shù)控車床CS200/66、數(shù)控車床 CS150、數(shù)控車床 CS200、立式四軸數(shù)控加工中心共 5 種設(shè)備。并創(chuàng)建工位動態(tài)流程如圖3 所示，共計劃分 6 個工位，工位 1 為普車加工、工位 2至工位 4 為數(shù)控車加工，三臺設(shè)備完成 5 道數(shù)控車加工工序，工位 5 為四軸數(shù)控曲面加工，工位 6 為鉗工螺紋加工等。單工序工位間以節(jié)拍間隔 3 小時開展水加工。

圖3 工位動態(tài)流程圖

3、加工難點分析及編程創(chuàng)建

針對異形零件外形曲面分布的支柱接口特征，采用四軸數(shù)控編程方法加工，利用 CATIA-CAM 數(shù)控編程軟件進(jìn)行前置處理程序編制，在試驗件加工過程中對零件的外形結(jié)構(gòu)難點分析見表 1 內(nèi)容：

表1 外形難點分析表

四軸數(shù)控銑加工過程裝夾方式采用芯軸定位，芯軸夾緊在旋轉(zhuǎn)工作臺上，由 A 軸旋轉(zhuǎn)帶動零件在加工過程中與主軸發(fā)生聯(lián)動。芯軸的定位基準(zhǔn)參考零件回轉(zhuǎn)中心軸線，依據(jù)異形零件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)及尺寸公差要求，確定芯軸工作面與異形零件內(nèi)壁貼合良好保持圓跳動≤ 0.01，同軸度≤ 0.02。在功能方面芯軸通過靜摩擦力提供扭矩，保證切削加工穩(wěn)定性；芯軸提供徑向支撐力，避免切削力引起異形零件薄壁處變形。同時芯軸工作面粗糙度要在 Ra0.8 以上，表面圓滑過渡，不會對異形零件內(nèi)壁劃傷。其次芯軸容易安裝、拆卸，四軸數(shù)控銑加工過程中與刀具無干涉問題，芯軸結(jié)構(gòu)特點如圖 4 所示。

圖4 芯軸結(jié)構(gòu)示意圖

將零件模型導(dǎo)入 CATIA-CAM 加工環(huán)境后，進(jìn)入多軸數(shù)控加工操作界面。首先設(shè)置機(jī)床結(jié)構(gòu)、加工坐標(biāo)原點、零件幾何體、毛坯幾何體、加工安全平面[3]。其次異形零件外形曲面銑加工方法主要應(yīng)用輪廓銑削、沿面銑削、4 軸定向銑削。參數(shù)設(shè)置主要包括加工參數(shù)、幾何參數(shù)、刀具參數(shù)、速度參數(shù)、進(jìn)退刀參數(shù)[4]。四軸曲面加工主要參數(shù)設(shè)置見表 2。參數(shù)設(shè)置完成后生產(chǎn)模擬加工路徑，此加工過程默認(rèn)工件是靜止的，刀具相對于工件是運動的。通過對前置處理刀具路徑模擬加工，可以分析零件加工后是否有切傷工件、過切、欠切情況，模擬驗證無問題后生成前置 APT 文件，模擬加工如圖 5 所示。

表2 四軸加工參數(shù)表

圖5 模擬加工示意圖

4 、 VERICUT 仿真及四軸加工驗證

異形零件在四軸數(shù)控機(jī)床實際加工前增加了仿真模擬技術(shù)，利用 VERICUT 仿真軟件對數(shù)控加工過程進(jìn)行模擬，此過程可以消除數(shù)控程序中的錯誤，如切傷工件、過切、欠切、機(jī)床碰撞、刀具干涉等，還可以減少實際切削驗證，提高加工效率，改善工件質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。目前隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控仿真技術(shù)的應(yīng)用十分重要，仿真模擬加工過程可以確保數(shù)控程序的正確性和合理性[5]。

參考四軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點和運動特性 , 創(chuàng)建機(jī)床后置處理轉(zhuǎn)換程序 , 將 CATIA-CAM 數(shù)控程序前置處理刀位文件轉(zhuǎn)換成機(jī)床能夠執(zhí)行的 NC 數(shù)控程序 , 再導(dǎo)入 VERICUT 仿真模擬軟件中進(jìn)行驗證。打開 VERICUT 仿真軟件，需要在新建項目樹環(huán)境中進(jìn)行設(shè)置，單一工位自定義命名可驗證一道數(shù)控程序。首先設(shè)置數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床設(shè)置包括機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運動方式，行程極限與碰撞設(shè)置等參數(shù)，在VERICUT 仿真軟件中系統(tǒng)默認(rèn)若干個可以直接選用的類似機(jī)床控制系統(tǒng)。

機(jī)床結(jié)構(gòu)要與實際加工四軸數(shù)控設(shè)備保持一致，若 VERICUT 軟件中系統(tǒng)默認(rèn)的機(jī)床結(jié)構(gòu)不符合要求，需要重新創(chuàng)建機(jī)床機(jī)構(gòu)，設(shè)置 X 軸、Y 軸、Z 軸、A 軸旋轉(zhuǎn)、刀具軸、工作臺及裝夾、需要加工的毛坯零件，并設(shè)置運動方式將主軸連接起來，形成虛擬的運動機(jī)床結(jié)構(gòu)，將需要驗證加工的毛坯零件裝夾到工作臺面上裝夾固定。然后在項目樹中設(shè)置加工坐標(biāo)系，此加工原點要與 CATIA-CAM 中數(shù)控編程加工的坐標(biāo)原點保持一致，參考轉(zhuǎn)換執(zhí)行的 NC 數(shù)控程序進(jìn)行坐標(biāo)系偏置，在設(shè)置完成的加工坐標(biāo)系右鍵增加偏置坐標(biāo)系設(shè)置，其中 Fanuc 和 Siemens 控制系統(tǒng)需要在寄存器中輸入 G54 ～ G59 指令。再將數(shù)控程序中需要的刀具添加到項目樹中的刀具庫中，刀具使用順序與數(shù)控程序保持一致，并調(diào)整刀具補(bǔ)償設(shè)置對刀點 ID 序號與刀具順序號相同。最后將需要驗證的 NC 數(shù)控程序?qū)氲巾椖繕渲?，進(jìn)行驗證加工。項目樹結(jié)構(gòu)、模擬加工后三維動態(tài)顯示如圖 6 所示。

圖6 仿真加工示意圖

將 VERICUT 仿真驗證的數(shù)控程序?qū)胨妮S數(shù)控機(jī)床，裝夾好毛坯零件，設(shè)置好加工原點，刀具補(bǔ)償參數(shù)實際加工驗證數(shù)控程序。通過精益生產(chǎn)的加工過程對此類異形零件加工驗證，實現(xiàn)了加工工藝合理化、數(shù)控程序最優(yōu)化，工裝夾具通用化。也為其它類型零件加工積累經(jīng)驗。

5、結(jié)論

異形零件作為流量溫度傳感器產(chǎn)品的核心零件，整個加工過程難點問題主要集中在外形曲面、異形槽、異形安裝座、圓周分布的聯(lián)接螺柱和安裝孔、高低壓接口等特征，結(jié)合數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)和運動特性采用四軸數(shù)控編程技術(shù)，利用 CATIA-CAM 數(shù)控編程模塊完成四軸數(shù)控銑加工程序創(chuàng)建，再利用 VERICUT 數(shù)控模擬仿真軟件完成驗證過程，保證零件過程中數(shù)控程序的準(zhǔn)確性和合理性，最后通過四軸數(shù)控機(jī)床實際驗證完成加工過程。

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