胡穎曉

(中航工業(yè)成飛數(shù)控廠，四川 成都 610091)

狹長(zhǎng)異型鋁型材雙龍門協(xié)同數(shù)控加工工藝研究*

胡穎曉

(中航工業(yè)成飛數(shù)控廠，四川 成都 610091)

針對(duì)某高速磁懸浮列車車身上大量應(yīng)用的15～25 m長(zhǎng)整體異型鋁型材類零件的加工難點(diǎn)，提出一種雙龍門協(xié)同數(shù)控加工的工藝方案，從裝夾、振動(dòng)控制、精度控制、測(cè)量等方面提出解決方案，并給出工程應(yīng)用實(shí)例。

異型鋁型材；雙龍門協(xié)同；振動(dòng)控制；精度控制；測(cè)量

近年來(lái)，隨著制造業(yè)的發(fā)展，型材類零件在列車制造、建筑、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在某高速磁懸浮列車項(xiàng)目中，車身構(gòu)架采用大量進(jìn)口狹長(zhǎng)異型型材類零件。傳統(tǒng)的型材加工方法一般采用鉗工劃線手工加工的方式；而針對(duì)高精度要求的狹長(zhǎng)異型型材，傳統(tǒng)加工方法已無(wú)法滿足要求，需要尋求一種精度更高、效率更高的加工方式?；诖?，本文提出一種狹長(zhǎng)異型型材的數(shù)控加工解決方案。

1 狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工難點(diǎn)分析

1.1 型材的特點(diǎn)

型材是具有一定強(qiáng)度和韌性的材料(如塑料、鋁、玻璃纖維等)通過(guò)軋制、擠出、鑄造等工藝，制成的具有一定截面形狀和尺寸的條形材料。型材按長(zhǎng)度可分為一般型材和狹長(zhǎng)型材；按截面形狀，可以分為簡(jiǎn)單型材和異型型材。簡(jiǎn)單型材主要包括角型材、槽型材、工字型材等截面形狀簡(jiǎn)單的型材，如圖1a～c；異型型材主要是一些截面形狀相對(duì)復(fù)雜的專用型材，如圖1d～f。

1.2 狹長(zhǎng)異型型材的加工難點(diǎn)

與傳統(tǒng)板材數(shù)控加工相比較，狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工具有以下難點(diǎn)：

(1)異型型材在航空、航天、磁懸浮領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索階段，且該狹長(zhǎng)異型截面型材屬進(jìn)口型材，在國(guó)內(nèi)首次加工，對(duì)比傳統(tǒng)板材和簡(jiǎn)單型材數(shù)控加工工藝，狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工工藝方案不成熟。

(2)狹長(zhǎng)異型型材類工件寬度一般在500 mm以下，長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)25 m，且均為空心結(jié)構(gòu)，截面形狀復(fù)雜，因此在設(shè)備選用、裝夾方式等方面，其加工直線度、平面度等形位精度能否達(dá)到工藝要求，成為異型型材類數(shù)控加工的先決條件之一。

(3)型材類工件自身結(jié)構(gòu)特殊，均為薄壁結(jié)構(gòu)，在數(shù)控加工過(guò)程中容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，如何控制數(shù)控加工過(guò)程中的振動(dòng)，保證加工精度，是型材數(shù)控加工中必須考慮的問(wèn)題。

(4)狹長(zhǎng)異型型材長(zhǎng)度達(dá)到20 m以上，數(shù)控加工完成后如何對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量機(jī)工作臺(tái)長(zhǎng)度不夠，千分尺、卡尺等測(cè)量工具測(cè)量長(zhǎng)度不夠，卷尺、皮尺測(cè)量精度得不到保證，必須考慮一種合理可行的測(cè)量方法。

2 狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工整體方案

2.1 狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工工藝流程

針對(duì)狹長(zhǎng)異型型材的特點(diǎn)及數(shù)控加工難點(diǎn)，本文提出一種狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工工藝流程，詳細(xì)闡述了加工工藝方案、數(shù)控加工及檢測(cè)測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示。

2.2 機(jī)床選擇

型材的長(zhǎng)度及加工特征決定機(jī)床的選擇。本文所研究的對(duì)象為狹長(zhǎng)異型型材，長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)25 m，加工特征為三坐標(biāo)槽口及鉆孔，根據(jù)該型材長(zhǎng)度及加工特點(diǎn)，本文選擇三坐標(biāo)雙龍門立式數(shù)控銑床，該立式銑床工作臺(tái)面長(zhǎng)度約28 m，采用雙龍門協(xié)同加工的工藝方案，如圖3所示。

2.3 工裝選擇

型材的截面形狀決定工裝的選擇。型材數(shù)控加工工裝選擇要求滿足定位準(zhǔn)確、裝夾可靠的先決條件。因此應(yīng)該讓型材底面盡可能多地與工裝接觸，以此來(lái)保證工件裝夾的可靠性與加工過(guò)程中的穩(wěn)定性。按照此原則，如圖4所示，根據(jù)型材截面形狀，選用專用墊塊。

2.4 雙龍門機(jī)床基準(zhǔn)協(xié)調(diào)

雙龍門立式數(shù)控銑床兩臺(tái)龍門同時(shí)加工同一型材，如何協(xié)調(diào)雙龍門找正原點(diǎn)及加工過(guò)程中的雙龍門協(xié)同問(wèn)題成為本文必須解決的問(wèn)題。

本文采用如圖5所示的工藝方案，首先在機(jī)床工作臺(tái)上找一個(gè)合適的位置，放置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，并在上面制出一個(gè)φ16H9 mm工藝孔，機(jī)床兩個(gè)龍門都以該基準(zhǔn)孔為基準(zhǔn)各自沿著X方向偏移距離L1和L2，保證L1+L2等于工件總長(zhǎng)，分別建立坐標(biāo)系O1X1Y1，O2X2Y2，這樣雙龍門就可以協(xié)調(diào)加工一個(gè)工件。

3 狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝夾技術(shù)

狹長(zhǎng)異型型材屬于細(xì)長(zhǎng)類工件，長(zhǎng)寬比較大，無(wú)工藝凸臺(tái)，該類工件在數(shù)控加工中的抗振性，很大程度取決于型材工件在機(jī)床上的裝夾定位方法。因此，合理的裝夾方案將大大提高工件工藝系統(tǒng)的剛性。本文采用自制墊塊墊起型材，壓板分段壓緊型材的裝夾技術(shù)。如圖6所示。采用專用墊塊將型材墊起，并在型材側(cè)面用頂塊頂住，型材頂部用壓板將型材壓緊，壓板位置避開型材加工特征區(qū)域，在加工區(qū)域兩端都?jí)荷蠅喊逡员ＷC加工過(guò)程的穩(wěn)定性；同時(shí)，為保證工件不壓變形，壓板區(qū)域應(yīng)墊上專用墊塊。

在該類狹長(zhǎng)異型型材的裝夾過(guò)程中，需保證型材工件的裝夾直線度達(dá)到制造公差的要求，型材自然狀態(tài)的直線度是無(wú)法滿足制造公差要求，需借助外力來(lái)調(diào)節(jié)型材的直線度。本文設(shè)計(jì)了如圖7所示簡(jiǎn)易裝置用于調(diào)節(jié)工件直線度。在裝夾過(guò)程中，固定圖示專用墊塊與頂塊用于型材定位，通過(guò)擰動(dòng)圖示螺母，可以使型材發(fā)生變形，使型材側(cè)面與定位面靠緊，保證型材工件直線度要求。

3.2 振動(dòng)控制技術(shù)

切削過(guò)程都伴隨著振動(dòng)現(xiàn)象，在高速切削加工工件時(shí)，由于工件和刀具的彈性變形，在動(dòng)態(tài)切削力的作用下，切削自身引起的切削力周期性變化，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，一旦切削停止，振動(dòng)會(huì)立即消失，這種振動(dòng)稱為“自激振動(dòng)”。振動(dòng)是一種破壞正常切削過(guò)程的極其有害的現(xiàn)象，是直接影響加工表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素。切削過(guò)程中，當(dāng)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，工件表面質(zhì)量惡化，表面粗糙度值增大，產(chǎn)生明顯的表面振痕；振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)沟毒弋a(chǎn)生崩刃斷刀現(xiàn)象，使加工過(guò)程無(wú)法進(jìn)行下去。與此同時(shí)，切削過(guò)程中的振動(dòng)將產(chǎn)生很大的噪聲，危害工人的身心健康。

由于型材類工件自身結(jié)構(gòu)的特殊性，數(shù)控加工時(shí)刀具切削對(duì)象為薄壁結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。本文采用以下幾種技術(shù)控制型材數(shù)控加工中的振動(dòng)。

(1)合理選擇刀具

在數(shù)控加工過(guò)程中，刀具應(yīng)具有足夠的剛性，且應(yīng)具有較高的彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度、高的阻尼系數(shù)和彈性模量。特別針對(duì)該類型工件數(shù)控加工，加工對(duì)象為薄壁結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中保證刀具工作長(zhǎng)度的前提下，選擇長(zhǎng)度直徑比較小的刀具，例如直徑為20 mm，工作長(zhǎng)度為60 mm的刀具；同時(shí)，為了降低切削過(guò)程中刀具崩刃的概率，選用底角為R3的刀具。

(2)合理選擇切削參數(shù)

筆者通過(guò)切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到如表1所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，采用轉(zhuǎn)速s=9 000 r/min進(jìn)給速度f(wàn)=1 500 mm/min、切深ap=1 mm的切削參數(shù)可有效控制振動(dòng)。

表1 切削參數(shù)實(shí)驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

轉(zhuǎn)速s/(r/min)進(jìn)給f/(mm/min)切深ap/mm切削效果加工效率900030003噪音大,振動(dòng)大高600015003噪音較大,振動(dòng)較大較高900015001噪音較小,比較穩(wěn)定一般900015000.5噪音較小,比較穩(wěn)定低

(3)合理規(guī)劃走刀軌跡

由于型材數(shù)控加工為薄壁加工，合理的刀位軌跡，可有效減小工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，降低切削噪音。通過(guò)切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用圖8b所示的走刀方式，切削過(guò)程中振動(dòng)較大；如采用圖8a所示的走刀方式，刀具中心與加工緣條中心不在一條直線上，采用順銑加工，可有效減小切削過(guò)程中的切削力，有效控制切削過(guò)程中的振動(dòng)，降低切削噪音。

通過(guò)合理的裝夾技術(shù)及以上幾種振動(dòng)控制技術(shù)，工件數(shù)控加工過(guò)程中切削穩(wěn)定。

3.3 基于加工特征的局部對(duì)刀技術(shù)

部分異型型材長(zhǎng)度達(dá)到25 m，直線度裝夾誤差就達(dá)到15 mm左右，而加工特征的設(shè)計(jì)要求位置公差在長(zhǎng)度方向上為±2 mm，在寬度方向上僅為±0.5 mm，若采用傳統(tǒng)的加工找正方法，一次找正，完成多個(gè)特征一次數(shù)控加工，受裝夾直線度影響，在型材寬度方向的精度無(wú)法滿足要求。因此，本文采用基于加工特征的局部找正技術(shù)來(lái)保證型材寬度方向的加工精度。

在加工過(guò)程中，針對(duì)每個(gè)加工特征，單獨(dú)找正，各加工特征分別對(duì)應(yīng)一段程序。例如圖9所示，需要在該型材上加工6個(gè)直徑為15 mm的孔，間隔大約5 m左右，Y向位置尺寸“20”公差為±0.5 mm。該型材長(zhǎng)約25 m，裝夾直線度誤差15 mm左右，若采用一次對(duì)刀找正同時(shí)加工6個(gè)孔，因?yàn)檠b夾直線度的影響，將無(wú)法保證20±0.5 mm。因此采用六個(gè)孔單獨(dú)找正加工，加工每個(gè)孔在孔特征位置附近找正，減小誤差，保證加工精度。

3.4 機(jī)床在線測(cè)量技術(shù)

型材數(shù)控加工完成后，需對(duì)加工部位進(jìn)行測(cè)量。由于該類型材長(zhǎng)度達(dá)到20 m以上，無(wú)法在測(cè)量機(jī)上進(jìn)行測(cè)量，如果采用傳統(tǒng)測(cè)量工具如皮尺、卷尺等工具，測(cè)量誤差較大，測(cè)量精度達(dá)不到要求。因此，為達(dá)到零件設(shè)計(jì)的測(cè)量精度，本文采用測(cè)量工具測(cè)量與機(jī)床在線測(cè)量相結(jié)合的測(cè)量方法。該方法介紹如下：

(1)孔、槽、缺口等數(shù)控加工特征的尺寸由測(cè)量工具進(jìn)行測(cè)量，孔直徑用三爪卡尺進(jìn)行測(cè)量，孔、槽、缺口的位置尺寸在型材寬度和高度方向上的尺寸由游標(biāo)卡尺和深度尺進(jìn)行測(cè)量。

(2)工件總長(zhǎng)度、各加工特征在型材長(zhǎng)度方向上的位置尺寸由機(jī)床進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量原理如圖10所示。

將機(jī)床上的刀具更換為標(biāo)準(zhǔn)的φ16 mm銷棒，機(jī)床兩頭找正同一基準(zhǔn)孔，機(jī)床兩頭銷棒分別接觸工件端面，工件總長(zhǎng)度：

L=x1+x2-D；

缺口寬度：d=x3-D。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

在成都飛機(jī)公司的高速磁懸浮列車項(xiàng)目中，車身的制造裝配大量采用了狹長(zhǎng)異型截面型材。數(shù)控加工廠承擔(dān)了大部分長(zhǎng)型材的數(shù)控加工，該類異型型材一般長(zhǎng)度在10～25 m之間。下面舉例其中的一項(xiàng)工件。

工件概況：型材毛坯長(zhǎng)約25 m左右，截面如圖1d所示。

加工機(jī)床：三坐標(biāo)雙龍門立式銑床。

加工概況：該機(jī)床工作臺(tái)面長(zhǎng)度28 m左右，采用工件毛坯長(zhǎng)25 m，采用雙龍門協(xié)同加工工藝方案，通過(guò)采用前述的裝夾技術(shù)、振動(dòng)控制技術(shù)、精度控制技術(shù)、在線測(cè)量技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，成功完成該工件的數(shù)控加工，加工過(guò)程穩(wěn)定，工件質(zhì)量可靠。

同時(shí)，本文所提出的數(shù)控加工工藝方案和關(guān)鍵技術(shù)在該項(xiàng)目中成功推廣應(yīng)用，采用本文的加工工藝共計(jì)完成20余項(xiàng)狹長(zhǎng)異型型材的數(shù)控加工，為該類型工件的數(shù)控加工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工的難點(diǎn)，提出異型型材雙龍門協(xié)同數(shù)控加工工藝方案，研究了數(shù)控加工過(guò)程中的裝夾技術(shù)、振動(dòng)控制技術(shù)、精度控制技術(shù)、在線測(cè)量技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，使異型型材在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工。但目前狹長(zhǎng)異型型材數(shù)控加工還存在一定的問(wèn)題，型材的裝夾工作量占整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程工作量的50%以上，同時(shí)型材薄壁切削過(guò)程中的振動(dòng)依然存在。因此如何通過(guò)改善工裝與夾具，提高異型型材裝夾效率與可靠性；如何定制專用刀具，使用更先進(jìn)的編程方法，減小型材切削過(guò)程中的振動(dòng)，將成為今后異型型材數(shù)控加工的研究重點(diǎn)。

[1] 鄭聯(lián)語(yǔ)，汪叔淳.薄壁零件數(shù)控加工工藝質(zhì)量改進(jìn)方法[J].航空學(xué)報(bào)，2001,22(5):424-428.

[2]艾長(zhǎng)勝，昃向博，趙方，等.鋁塑型材鋸銑組合加工中心[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003(8):74-75.

[3]劉曉瑞.提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的措施[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2008,27(12):19-20.

[4]王凱.數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2006，25(8):32-33.

[5]張政民，王忠平，宋福田.軌道車輛薄壁鋁型材的典型加工工藝[J].新技術(shù)新工藝，2013(9):80-83.

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Study of the NC machining process of aluminum profiles employing
double gantry machine cooperation

HU Yingxiao

(CNC Factory, AVIC Chengdu Aircraft Industrial(Group) Co., Ltd., Chengdu 610091, CHN)

In this paper, the NC machining process employing double gantry machine cooperation, lessening the difficulty in producing the parts of the high-speed maglev train made of aluminum profiles varying in length from fifteen to twenty-fifth meters, is concerned from the perspectives of clamping, vibration control, precision control and measurement etc. Simultaneously, the specific examples of practical application will be given.

aluminum profiles; double gantry machine cooperation; vibration control; precision control; measurement

V262.3+3

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.017

胡穎曉，男，1983年出生，碩士，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工工藝技術(shù)。

(編輯 孫德茂)

2016-05-10)

160922

*國(guó)家重大專項(xiàng)：國(guó)產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床在航空結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線及生產(chǎn)單元應(yīng)用示范基地(2015ZX04001002)