鄒小堤，胡 純

(武漢重型機床集團有限公司 工藝與工程研究院，湖北 武漢430205)

五軸聯(lián)動車銑復合制造工藝技術是一種在傳統(tǒng)精密制造技術基礎上，集成了現(xiàn)代先進控制技術和CAD/CAM 應用技術的先進、復合化的機械加工工藝技術［1-2］，可以實現(xiàn)在一次裝卡條件下對零件進行多工種、多工序的復合加工［3］，且刀具能夠以理想的角度［4］接近切削表面，實現(xiàn)最佳切削條件。其加工范圍和功能非常強大，已經成為機械制造行業(yè)的前沿技術。筆者結合所承擔的某重點國家工程項目，介紹車銑復合制造工藝技術在航空零件制造領域中的應用。

1 工藝要求

1.1 加工零件技術要求

兩個零件的主要尺寸精度及技術要求如下：

(1)零件1 毛坯采用不銹鋼鍛件。零件大致為空間偏心回轉體，其中外形由多段平滑曲面相接而成，內腔由呈α 夾角的兩趟內孔相交過渡而成，如圖1 和圖2 所示。零件外表面要求曲面過渡自然平滑，整體拋光鍍鉻。兩內孔夾角的角度允差為±0.003°，內孔孔口端面距內孔軸心線交點距離(L1、L2)允差≤0.05 mm，且端面與內孔中心線均有較高的形位公差要求。

(2)零件2 毛坯采用不銹鋼鍛件。零件大致為空間偏心錐體，其中外形由圓錐面及多段平滑曲面相接而成，內腔由呈α 夾角的多趟內孔相接過渡而成，如圖3 和圖4 所示。零件外表面要求曲面過渡自然平滑，整體拋光鍍鉻。兩內孔夾角的角度允差為±0.003°，內孔孔口端面距內孔軸心線交點距離(L1、L2)允差≤0.03 mm，且端面與內孔中心線均有著較高的形位公差要求。

圖1 零件1

圖2 正等測視圖

圖3 零件2

圖4 正等測視圖

1.2 加工難點分析

零件1、零件2 結構復雜，具有多個回轉特征和小結構特征，外形曲面曲率變化較大。雖然理論上任意復雜表面都可用X、Y、Z三軸坐標表述，但在實際加工過程中刀具并不是一個點，而是具有一定尺寸的實體，因此刀具在加工曲面過程中容易與加工面發(fā)生干涉。同時，由于刀軸方向始終不變，刀刃與曲面的切點不斷變化，使得曲面各點切削條件(切削速度Vc、進給速度Vf)無法達到一致，因此表面粗糙度難以滿足要求。如果采用三軸加工，在加工過程中工件翻面會出現(xiàn)基準轉換的問題，曲面容易與加工面產生接刀痕，使加工精度大大降低。

要避免對空間曲面加工時出現(xiàn)刀具與加工面之間的干涉以及保證曲面各點的切削條件一致性，就必須調整刀具軸線與曲面法向矢量的夾角［5］。這就意味著加工過程中，除了X、Y、Z這3個線性軸聯(lián)動外，至少還需要一個旋轉軸參與聯(lián)動;要完美地保證曲面加工過渡平滑甚至還需五軸聯(lián)動、主軸高速運轉［6-7］，且CAM 編程時要對刀軸矢量進行精確控制。

2 工藝解決方案

五軸聯(lián)動車銑復合機床的應用，使工藝設計更加靈活，工序更加集中，這不僅提高了工藝的有效性，還減少了零件在整個加工過程中的裝夾次數(shù)，使加工的精度更易保證。零件1 和零件2 雖幾何尺寸及精度要求差異較大，但結構上大體都屬于帶空間相交孔的曲面體。由于零件外形不規(guī)則，設計工藝路線時就必須充分考慮零件裝卡和加工基面的問題。如何減少裝卡次數(shù)、避免重復找正帶來的基準轉換誤差成為工藝方案設計的重點。經過反復研究，最終決定在零件左端預留75 mm 工藝臺(如圖5 所示)，并在工藝臺上精銑一段扁口，作為后序精加工裝卡找正的基準，這樣就較好地解決了零件外形復雜給加工帶來的困難。

制定工藝路線需要綜合考慮零件各形位公差要求以及熱處理方式等因素，并結合現(xiàn)有設備專業(yè)化生產的特點，合理安排工序內容及加工設備。為了充分釋放零件粗加工應力，零件在粗銑外形后進行調質處理，然后在車銑復合加工中心上對外形曲面及呈空間布置的孔、斜端面進行復合加工，最后在常規(guī)機床上加工相交內孔。

圖5 工藝臺設計

3 CAM 數(shù)控加工程序設計

DMG 公司生產的CTX gamma 2000 TC 車銑復合加工中心(如圖6 所示)屬于具備B 軸功能的高端車銑設備。CTX gamma 2000 TC 以車削功能為主，并集成了銑、鏜、鉆等功能，具有3 個直線進給軸和2 個圓周進給軸，并配有自動換刀系統(tǒng)。CAM 數(shù)控加工程序運行在CTX gamma 2000 TC車銑復合加工中心上，主要包括制作驅動曲面、加工工藝規(guī)劃和加工程序代碼這3 部分［8-11］。

圖6 CTX gamma 2000 TC 車銑復合加工中心

3.1 制作驅動曲面

NX_CAM 多軸編程時一般是通過驅動曲線(點、邊界)和驅動曲面按照一定的策略產生驅動點，并將驅動點按一定的投影矢量投影至被加工表面生成刀具路徑。多軸加工時刀軸矢量隨著加工表面法向的變化而改變，從而完成復雜曲面的加工。彎頭及尾外套的驅動曲面均采用圓弧沿樣條曲線掃掠生成片體，曲面簡單可靠，其中五軸CLSF 刀軌控制［12］界面圖如圖7 所示，NX_CAM刀軸控制界面圖如圖8 所示。

圖7 五軸CLSF 刀軌控制界面圖

3.2 加工工藝規(guī)劃

零件分粗加工、半精加工、精加工3 個部分完

成，采用NX_CAM 編程時需靈活運用不同的加工策略，結合零件余量合理分配加工內容，其加工工藝規(guī)劃如表1 所示。

圖8 NX_CAM 刀軸控制界面圖

表1 加工工藝規(guī)劃

3.3 加工程序代碼

NX_CAM 編程生成刀具路徑后經后處理生成G 代碼［13］，限于篇幅，僅以零件1 加工程序為例：

4 加工實例及效果

程序校驗并仿真成功后，利用CTX gamma 2000 TC 車銑復合加工中心對零件進行加工。根據現(xiàn)場加工的情況來看，五軸加工過程中，刀軸定位準確、進給平穩(wěn)，由于B1、C4 兩個旋轉軸參與聯(lián)動，有效地解決了加工干涉問題。同時，加工過程中，通過控制刀軸始終與曲面法向成固定夾角來保證切削平穩(wěn)，同時保證加工表面過渡自然平滑。加工完成后，零件經3 坐標測量儀綜合檢查，各項精度均優(yōu)于圖紙要求，加工效果如圖9 所示。

圖9 加工效果圖

5 對比驗證

為了對比驗證，同時采取傳統(tǒng)加工方法對零件2 進行加工，并將兩種加工方法的加工精度和效率進行比較。

5.1 精度對比

五軸聯(lián)動車銑復合加工精度及傳統(tǒng)加工精度檢測記錄如表2 所示。根據其檢測結果可知五軸聯(lián)動車銑復合加工各項精度均優(yōu)于傳統(tǒng)加工各項精度。

表2 五軸聯(lián)動車銑復合加工和傳統(tǒng)加工驗收檢測記錄表(部分)

5.2 效率對比

在傳統(tǒng)加工過程中需進行多次裝卡，且各次裝卡之間需進行基準轉換，因此加工周期比五軸聯(lián)動車銑復合加工的周期要長得多。兩加工效率對比情況如表3 所示。

表3 五軸聯(lián)動車銑復合加工與傳統(tǒng)加工效率對比

6 結論

五軸聯(lián)動車銑復合制造工藝技術可以實現(xiàn)多工種、多工序、多工步的復合加工，從而大大縮短產品制造工藝鏈，減少了由于裝卡的改變而導致的生產輔助時間，同時也縮短了多種工裝卡具制造周期和等待時間，顯著提高了生產效率。與此同時，裝卡次數(shù)的減少降低了由于定位基準轉化而導致的累積誤差，因此在提高加工效率的同時大大提高了加工精度，實現(xiàn)了精度、效率、成本的最佳平衡。

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