張永紅，賈利曉，朱耀華

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2洛陽理工學院材料科學與工程學院 河南洛陽 471023

鏟斗是挖掘機的重要零部件，其工作環(huán)境十分惡劣，易于磨損失效。因此，挖掘機需要定期更換鏟斗[1]。鏟斗通常采用焊接結構，由底座、側板、鏟齒和鏟唇等零部件構成[2]。其中，鏟唇是挖掘主體鏟齒與鏟斗相連接的關鍵零部件，其外形多為復雜空間曲面，切削加工難度大，需要用大型 5 軸數(shù)控鏜銑床進行加工。但此類機床數(shù)量很少，使用成本較高。使用常規(guī)大型 3 軸數(shù)控機床結合手動萬向銑頭加工鏟唇，存在 2 個難題：一是手動旋轉萬向銑頭時，很難確認旋轉角度是否準確到位；二是刀具長度補償困難。對此，筆者通過采取一定的工藝措施，圓滿完成了鏟唇的加工。

1 鏟唇

大型卡特彼勒挖掘機鏟斗的鏟唇外形尺寸為 5 100 mm×1 200 mm×1 400 mm，三維模型如圖 1 所示。該鏟唇材料為低碳合金鋼，為保證零件具有適當?shù)膹姸群退茼g性，常規(guī)生產(chǎn)工藝方案是鑄造成形后經(jīng)調質處理再進行使用。但該產(chǎn)品屬于特大尺寸零件，在鑄造和熱處理過程中會因各部位冷卻速度不一致而產(chǎn)生較大的應力和變形，從而影響零件的使用效果[3]。因此，為了保證尺寸精度，在生產(chǎn)過程中增加了機加工工序。加工選用 XKA2125 數(shù)控龍門鏜銑床，該設備配有手動旋轉的萬向銑頭附件，其旋轉軸為a軸和c軸，2 個旋轉軸旋轉整數(shù)角度時可根據(jù)刻度準確旋轉到位，對于非整數(shù)角度的旋轉會存在誤差。另外，各旋轉軸的幾何尺寸沒有準確數(shù)值，無法通過計算進行刀具長度補償。但是，該零件的結構很復雜，加工面為多個空間曲面，相對位置精度要求高，裝夾、找正和測量難度都很大。針對這些難點設計了對刀方法、刀軸驗證方法和分區(qū)域編制程序的工藝方案。

2 加工工藝

2.1 區(qū)域劃分和刀軸設定

鏟唇零件的外觀復雜，為了方便編寫加工程序，減少編程工作量，根據(jù)工件的對稱特征，將工件待加工部分劃分為如圖 1 所示的 9 個區(qū)域[4]，分別編寫加工程序，通過旋轉萬向銑頭，實現(xiàn)一次裝夾完成各個區(qū)域的加工。A 區(qū)域由 17 個齒及其周邊的曲面組成；B、C 區(qū)域均由與 A 區(qū)域中 17 個齒相對應的法向平面和其上的腰形孔組成，位于 A 區(qū)域的內(nèi)外兩側；D、E 區(qū)域形狀對稱，是 A 區(qū)域左右兩側相連側板的外側平面及其上的腰形孔；F、G 區(qū)域形狀對稱，是A 區(qū)域左右兩側相連側板的內(nèi)側平面及孔口倒角；H、I 區(qū)域形狀對稱，分別是 D、F 區(qū)和 E、G 區(qū)之間的斜面與圓弧面。

圖1 鏟唇三維模型Fig.1 3D model of bucket lip

鏟唇的 9 個區(qū)域中，A 區(qū)域的加工難度最大，因此僅介紹 A 區(qū)域的刀軸設定，其他區(qū)域的刀軸設定與此相同。由于 A 區(qū)域由 17 個齒及其周邊的曲面組成，形狀中間對稱。而刀軸的設定影響程序數(shù)量、加工質量和加工效率，因此在保證加工到位的情況下應盡量減少刀軸方向的改變次數(shù)。根據(jù)鏟唇零件的形狀特征，為減少萬向銑頭偏轉次數(shù)，提高加工效率，同時保證能全部銑削加工完成，將 A 區(qū)域又細分為如圖2 所示的 17 個分區(qū)。這 17 個分區(qū)以 A0 為中心，可將程序鏡像后用于加工。將刀軸設定為如表 1 所列的7 個方向，通過改變 6 次刀軸方向，即可完成 A 區(qū)域的加工。

圖2 A 區(qū)域組成Fig.2 Composition of area A

表1 A 區(qū)域刀軸設定Tab.1 Setting of cutter axis in area A

2.2 刀軸旋轉及驗證

鏟唇上需要加工的區(qū)域遍布各個方向，需要不斷旋轉萬向銑頭的a、c軸來完成加工過程。由于加工過程中刀軸的方向很多，大約需要旋轉 80 次，為了保證每次萬向銑頭的旋轉角度準確，設計了一套操作流程及檢驗方法，并基于西門子 FRAME 指令集手工編寫了R參數(shù)程序。

2.2.1 刀軸驗證程序

刀軸旋轉后方向是否正確，需要進行驗證。刀軸驗證程序如下：

2.2.2 刀軸旋轉

下面以a軸旋轉 11.658°、c軸旋轉 -23.786°為例，說明刀軸角度旋轉的操作步驟。

第 1 步，先在刀軸上安裝長度大于 120 mm 的對刀棒。

第 2 步，旋轉萬向銑頭的a軸到 11.658°，c軸到 0°。

第 3 步，將驗證程序中的R1 賦值為 11.658，R2賦值為 0，使對刀棒與固定在工作臺的百分表接觸，如圖 3(a) 所示。運行刀軸驗證程序，并使對刀棒沿軸向移動 50 mm，如圖 3(b) 所示。

圖3 旋轉 a 軸時百分表與對刀棒的相對位置Fig.3 Relative position of dial gauge and cutter rodon axis arotating

第 4 步，觀察百分表變化，若百分表上的指針有偏轉，說明角度有偏差，微調萬向銑頭a軸角度，重復進行第 3 步；若百分表上的指針不動，說明旋轉角度正確。此時a軸旋轉角度符合要求。

第 5 步，a軸固定不動，旋轉萬向銑頭c軸到-23.786°。

第 6 步，在固定百分表的側邊固定另一個百分表，將驗證程序中的R1 賦值為 11.658，R2 賦值為-23.786，使對刀棒在相互垂直的 2 個方向接觸百分表，如圖 4(a) 所示。運行刀軸驗證程序，并使對刀棒沿軸向移動 50 mm，如圖 4(b) 所示。

圖4 旋轉 c 軸時百分表與對刀棒的相對位置Fig.4 Relative position of dial gauge and cutter rodon axiscrotating

第 7 步，觀察百分表變化，若百分表上的指針有偏轉，說明角度有偏差，微調萬向銑頭c軸角度，重復進行第 6 步；若百分表上的指針不動，說明旋轉角度正確，此時萬向銑頭的a、c軸角度都符合要求。

2.3 對刀

2.3.1 對刀基準

由于工件表面基本上都由曲面和斜平面構成，而且需要切削加工，不能作為對刀的基準。因此，在設定加工坐標系前，先在工件的旁邊合適位置安放 1個工藝塊，并銑此基準塊的 5 個面作為工藝基準面，在工件加工完畢前，工藝塊作為零件的一部分不可移動。然后使用百分表測量工藝基準面到工件特殊點位的各個軸向距離，計算出工藝基準面到工件坐標系原點的距離并記錄，此數(shù)值將應用到對刀數(shù)據(jù)計算中。

2.3.2 等刀長替換對刀法

機床系統(tǒng)中沒有自動補償功能，需要通過對刀的方式對刀點的坐標進行補償[5]，對于垂直或平行于切削平面的刀具可以直接對刀；如果有一定的夾角，無法直接使用刀具準確對刀，筆者為此設計了采用球頭對刀棒進行輔助等刀長替換對刀法，如圖 5 所示。球頭對刀棒的端部是直徑為 10 mm 的球體。對刀前，先將刀具和對刀棒分別裝在 2 個刀柄上，使從刀柄端頭到刀棒球頭球心的距離L1與刀具的長度L2相等，此時，機床上對刀棒球頭的球心就是對刀點。萬向銑頭旋轉后的對刀，就是使用對刀棒在工藝塊上對刀并設定機床坐標系的過程。由于對刀棒和刀具的長度相同，因此，使用對刀棒對刀就相當于刀具對刀，這種對刀方法稱為等刀長替換對刀法。需要注意的是，采用球頭對刀棒對刀時，對刀點與工件加工面之間有 1個球頭半徑的距離 (5 mm)，因此在對刀時，要注意每個軸向的對刀都必須減去球頭的半徑。由于在加工過程中需要使用多種刀具來完成切削，并且刀具的長度各不相同，且相差較大。因此，加工了多個不同長度的對刀棒，以便節(jié)省輔助時間，提高生產(chǎn)效率。對刀過程中如果配合使用z軸對刀器，則可大大提高對刀的精度。

圖5 刀具與對刀棒等長裝卡示意Fig.5 Fixturesketch on milling cutter and cutter rod being equal in length

2.4 銑削加工

把鏟唇的加工表面進行區(qū)域劃分后，因特征對稱，只需編制一個特征程序，另一側采用鏡像功能，編程工作量減少，加工操作時采用對稱加工，旋轉萬向銑頭的次數(shù)也相應減少，可提高加工效率。具體加工步驟如下：

(1) 按工藝坐標系要求把工件裝卡在工作臺上，找正，壓緊，在適當位置安放工藝塊并卡緊。

(2) 加工工藝塊的 5 個表面，測量工藝塊尺寸及相對于工件坐標系各軸的位置數(shù)據(jù)并記錄。

(3) 加工 A 區(qū)的 A0、A1、A2 區(qū)域，刀軸角度為a＝11.009°，c＝0°，加工方案如表 2 所列。

表2 A0、A1、A2 加工方案Tab.2 Machining scheme in area A0,A1 and A2

(4) 將準備好的 D63R10 環(huán)形刀、φ32 球頭刀、φ20 球頭刀和與刀具等長的對刀棒分別安裝在 4 個刀柄上。

(5) 把帶刀柄的對刀棒安裝在萬向銑頭刀軸上，在工作臺上合適位置固定百分表；手動旋轉a軸到11.009°，旋轉c軸到 0°，操作機床，使對刀棒外圓壓上百分表，運行驗證程序，經(jīng)多次調整、驗證直到滿足要求。

(6) 操作機床，使對刀棒球頭輕輕接觸工藝塊上端面，如圖 6 所示。由于工藝塊上端面到工件xy平面距離為 258，對刀棒球頭半徑為 5，則通過 263，設置工件的z軸零點；再次操作機床，使對刀棒球頭輕輕接觸工藝塊側面，由于工件側面到工件xz平面的距離 1 163，對刀棒球頭半徑為 5，則通過 1 168，設置工件y軸零點，同樣操作設置x軸零點。

圖6 對刀操作示意Fig.6 Sketch of cutter setting operation

(7) 拆下帶刀柄的對刀棒，裝卡上 D63R10 刀具，進行粗銑加工。

(8) 拆下 D63R10 刀具，裝上與φ32 球頭刀對應長度的對刀棒重新對刀。

(9) 拆下對刀棒，裝上φ32 球頭刀，進行精銑加工。

(10) 拆下φ32 球頭刀，裝上與φ20 球頭刀對應長度的對刀棒重新對刀。

(11) 拆下對刀棒，裝上φ20 球頭刀進行清根加工。

該區(qū)域加工完成后，再加工 A3、A5、A7 區(qū)域，然后用鏡像程序加工 A4、A6、A8 區(qū)域，依次類推，完成整個工件的加工。

3 工藝流程

鑄造毛坯—鉗工打磨冒口—鉗工劃線—攝影測量—粗銑加工—精銑加工—局部樣板檢查—攝影測量。其銑削加工，通過應用等刀長對刀，快速驗證刀軸的正確性等工藝措施，工藝成熟后加工時間縮短了一半，加工質量得到了用戶的認可。

4 結語

對加工表面進行分區(qū)，采用程序鏡像功能，減少了編程工作量；通過采用球頭對刀棒進行輔助對刀，不僅解決了萬向銑頭處于復合角度時對刀難的問題，也提高了對刀效率；通過程序驗證的方法，保證了萬向銑頭旋轉角度的準確性，使卡特彼勒挖掘機鏟斗鏟唇的數(shù)控加工順利完成，在實現(xiàn)降本增效的同時，也可為同類零件的加工提供了借鑒。