中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 俸躍偉

一、引言

目前在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)購(gòu)置了許多進(jìn)口的高級(jí)數(shù)控機(jī)床，新的數(shù)控設(shè)備具備比較先進(jìn)的加工功能模塊，但是國(guó)內(nèi)對(duì)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用還停留在比較低級(jí)的階段，很多都只應(yīng)用了該類設(shè)備的最基本的功能，導(dǎo)致?lián)碛邢冗M(jìn)設(shè)備而不能發(fā)揮其作用，降低了這些設(shè)備的利用率和加工效率。如果能夠?qū)@些設(shè)備的功能進(jìn)行開發(fā)，有效利用這些進(jìn)口數(shù)控機(jī)床的高級(jí)功能，則既可以降低機(jī)床操作和零件加工的難度，又可以較好地提升設(shè)備的有效使用時(shí)間，降低設(shè)備折舊費(fèi)率，從而充分的發(fā)揮其價(jià)值。

二、環(huán)形零件通用加工方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件以環(huán)形件為主，且外型復(fù)雜，該類環(huán)形零件銑加工時(shí)通常使用帶旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的四軸以上的加工中心，即機(jī)床具有XYZ三個(gè)直線軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)加工設(shè)備。采用該類設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)形零件進(jìn)行銑加工時(shí)，通常的做法是將零件裝夾于工作臺(tái)中心，即在裝夾前對(duì)零件進(jìn)行找正，使零件的回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心重合，如圖1所示，在加工過程中，當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，零件隨工作臺(tái)同步旋轉(zhuǎn)而不會(huì)產(chǎn)生偏心，利用工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，即可完成環(huán)形零件上各個(gè)型面的加工。該方法編制數(shù)控加工程序簡(jiǎn)單，加工過程非常直觀，但是對(duì)操作工人的技能水平要求較高，需要裝夾零件前對(duì)零件位置進(jìn)行找正，保證零件回轉(zhuǎn)中心與工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心同心，并且零件找正過程增加了加工輔助時(shí)間，降低設(shè)備的實(shí)際利用率。

圖1 環(huán)形工件常用裝夾方式示意圖

三、MANDELLI1600U機(jī)床基本參數(shù)和功能

MANDELLI1600U是立臥轉(zhuǎn)換式四坐標(biāo)加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D。該機(jī)床配備兩個(gè)工作臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)對(duì)刀模塊，能在機(jī)床內(nèi)部完成刀具參數(shù)測(cè)量并進(jìn)行刀具破損監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)刀具的實(shí)時(shí)測(cè)量和刀具狀態(tài)監(jiān)控。該設(shè)備還配備了雷尼紹在機(jī)測(cè)量模塊，利用西門子840D控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)床測(cè)量的功能，利用該功能不僅可以完成被加工零件的自動(dòng)測(cè)量，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工坐標(biāo)系自動(dòng)定位和加工參數(shù)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)零件與工作臺(tái)的不同心加工，節(jié)省大量的加工輔助準(zhǔn)備時(shí)間，大大提高機(jī)床的利用率。

四、偏心加工方法研究

1、偏心加工關(guān)鍵問題

當(dāng)零件與機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)不同心時(shí)，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后零件的各個(gè)點(diǎn)位相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系發(fā)生變化，因此，要實(shí)現(xiàn)偏心加工的關(guān)鍵問題，要解決3方面關(guān)鍵問題：（1）確定零件回轉(zhuǎn)中心與工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心的初始位置關(guān)系。（2）確定零件0°位置與機(jī)床0°位置的角向關(guān)系。（3）工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)后零件與工作臺(tái)間新的位置關(guān)系如何轉(zhuǎn)換。

2、零件在工作臺(tái)上的裝夾

由于MANDELLI1600U配備了兩個(gè)工作臺(tái)，因此在一個(gè)工作臺(tái)工作的情況下，可在機(jī)床外部在另一個(gè)工作臺(tái)上進(jìn)行零件的裝夾，裝夾時(shí)無需使零件與工作臺(tái)完全同心，只要零件能在工作臺(tái)上穩(wěn)定裝夾即可。為方便零件后續(xù)快速確定角向位置，因此裝夾時(shí)應(yīng)將零件角向標(biāo)記位置（如角向孔）置于Z軸正向，如圖2所示。

圖2 環(huán)形工件偏心裝夾示意圖

3、加工坐標(biāo)原點(diǎn)的確定

因?yàn)榱慵b夾時(shí)沒有精確找正，角向位置也是通過目視確定，因此零件的回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床的位置關(guān)系不固定，零件的0°位置與機(jī)床的角向關(guān)系也不準(zhǔn)確。這種情況下就需要使用機(jī)床的測(cè)量功能，首先利用機(jī)床測(cè)頭確定工件的角向0°，將0°位置精確旋轉(zhuǎn)至Z軸正向；再在工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的情況下，利用機(jī)床內(nèi)部測(cè)頭檢測(cè)零件環(huán)形壁上各點(diǎn)位置，再通過機(jī)床系統(tǒng)運(yùn)算功能，自動(dòng)換算出零件回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，并將回轉(zhuǎn)中心的X、Y初始坐標(biāo)分別記入系統(tǒng)變量R1和R2。

4、旋轉(zhuǎn)位置追蹤技術(shù)

由于零件回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床工作臺(tái)不同心，因此，雖然利用機(jī)床測(cè)量功能確定了零件回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床的初始位置關(guān)系，但是，當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)之后，零件上的各點(diǎn)相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系會(huì)發(fā)生變化，因此需要引入旋轉(zhuǎn)追蹤點(diǎn)技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)將零件偏心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的刀具跟隨零件坐標(biāo)變換，首先必須歸納出零件回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)點(diǎn)位旋轉(zhuǎn)追蹤的數(shù)學(xué)算法。建立的數(shù)序模型，如圖3所示，需要同時(shí)滿足以下五點(diǎn)。

（1）建立零件的某一狀態(tài)下（工作臺(tái)某一點(diǎn)放置、加工角向某一點(diǎn)位置）的第一切削點(diǎn)與第二切銑點(diǎn)空間二維幾何關(guān)系。

（2）第一切銑點(diǎn)與第二切削點(diǎn)的幾何關(guān)系是否適用于第三切削點(diǎn)與第一切削點(diǎn)的空間二維幾何關(guān)系。

（3）待加工區(qū)域角向在(0°，-180°)與在(-180°,-0°)范圍內(nèi)的二維幾何關(guān)系是否一致。

（4）零件在工作臺(tái)二維平面的X-Z坐標(biāo)系下的任意象限內(nèi)的二維幾何關(guān)系是否一致。

（5）最終的二維幾何算法是否可以體現(xiàn)后一點(diǎn)對(duì)前一點(diǎn)的空間方向性位置關(guān)系。

圖3 基本數(shù)學(xué)幾何模型

根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系圖和數(shù)學(xué)算法要求，歸納出坐標(biāo)的數(shù)學(xué)變換公式：

將歸納的數(shù)學(xué)公式編輯為數(shù)控加工子程序，在主程序中，機(jī)床每次旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)之前都先調(diào)用該坐標(biāo)追蹤子程序，如圖4所示，對(duì)加工 程序加工點(diǎn)位進(jìn)行的內(nèi)部計(jì)算，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)被加工部位追蹤控制和正確加工。

圖4 追蹤子程序調(diào)用

五、結(jié)語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件型面復(fù)雜，因此使用了較多的高級(jí)數(shù)控加工中心，該類先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備一般都具有較多先進(jìn)的功能模塊，掌握這些先進(jìn)功能可以進(jìn)一步提高設(shè)備的使用價(jià)值。通過開發(fā)MANDELLI1600U的偏心加工功能，在機(jī)床加工運(yùn)行過程時(shí)即可以完成加工前準(zhǔn)備工作，可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的直接切換加工且無需人工精確找正，大大提高了該設(shè)備利用率，通過機(jī)床測(cè)量代替人為找正零件，降低了工人操作難度。