紀(jì)鑫+范大宇+林紅軍

摘要：隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的零、組件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，特別是機(jī)匣類零件已經(jīng)從原有的外型凸臺結(jié)構(gòu)向零件內(nèi)腔過渡，形成內(nèi)型凸臺與外型凸臺相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。伴隨著設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、多樣化、內(nèi)腔化，對數(shù)控加工的可達(dá)性要求也越來越高，進(jìn)而角度動(dòng)力頭與五坐標(biāo)加工中心相配合使用便逐步得以應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：航空產(chǎn)品 機(jī)匣 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 加工中心 角度頭

1 角度動(dòng)力頭的作用

角度動(dòng)力頭的主要作用是將某機(jī)床主軸方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過角度動(dòng)力頭內(nèi)的錐齒輪相互嚙合，從而改變與原主軸成一定角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并傳遞相應(yīng)的扭矩，且通過角度動(dòng)力頭的相應(yīng)幾何尺寸，使得機(jī)床主軸的動(dòng)力輸出在某方向上得以延長，增加機(jī)床主軸的可達(dá)性，提高機(jī)床的可加工范圍，增強(qiáng)機(jī)床的加工能力。

2 角度動(dòng)力頭與五坐標(biāo)加工中心的連接

2.1 硬件連接

角度動(dòng)力頭可以看作特殊的銑削刀具，故與機(jī)床主軸連接的刀柄應(yīng)與相應(yīng)的機(jī)床主軸配置刀柄進(jìn)行配合使用。目前，五坐標(biāo)加工中心的刀具刀柄接口一般采用ISO50圓錐刀柄，較為高級的機(jī)床也有采用HSK接口的刀柄。根據(jù)不同的主軸接口需選用相應(yīng)刀柄接口的角度動(dòng)力頭。然而，角度動(dòng)力頭需要與機(jī)床主軸保持相對的固定關(guān)系（即角度動(dòng)力頭應(yīng)跟隨五坐標(biāo)加工中心主軸做相應(yīng)擺動(dòng)，但與主軸的相對位置關(guān)系保持不變），故需要自制一個(gè)可以固定角度動(dòng)力頭的裝置，此裝置對角度動(dòng)力頭在與機(jī)床主軸連接過程中主要限制角度動(dòng)力頭主體的旋轉(zhuǎn)，使其在加工過程中避免因切削力及切削振動(dòng)等因素造成的相對位置變化。

2.2 軟件連接

目前國際主流五坐標(biāo)加工中心操作系統(tǒng)多以西門子公司的Sinumerik_840D系統(tǒng)及海德漢公司的Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)為主，因其系統(tǒng)的強(qiáng)大功能及強(qiáng)大的穩(wěn)定性被大多五坐標(biāo)加工中心生產(chǎn)廠商所青睞。

以Sinumerik_840D系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)對角度動(dòng)力頭有專門的定義。該系統(tǒng)將角度動(dòng)力頭定義為一種刀具，并根據(jù)角度動(dòng)力頭的特點(diǎn)，定制屬于該刀具特有的刀具長度補(bǔ)償表格。

表1 刀具長度補(bǔ)償表

其中，Geometry代表刀具幾何長度，Wear代表刀具磨耗，Base代表基本長度補(bǔ)償，Length代表不同幾何軸的方向上的長度補(bǔ)償。以90°動(dòng)力頭為例，當(dāng)該動(dòng)力頭在G18加工平面工作時(shí)，Length 1代表坐標(biāo)軸Y方向上的長度補(bǔ)償，Length 2 代表坐標(biāo)軸X方向上的長度補(bǔ)償，Length 3代表坐標(biāo)軸Z方向上的長度補(bǔ)償。根據(jù)角度頭的設(shè)計(jì)尺寸及角度頭上所固定的刀具長度情況分別在各自對應(yīng)的位置輸入相應(yīng)的長度，進(jìn)而完成角度頭在機(jī)床中的軟件連接設(shè)定。

3 角度動(dòng)力頭在五坐標(biāo)加工中心的應(yīng)用實(shí)例

3.1 零件結(jié)構(gòu)

某轉(zhuǎn)包零件系美國GE航空公司飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)一號軸承支撐，該零件材料為AMS5659，為不銹鋼類合金，質(zhì)量較輕。該零件系機(jī)匣類零件，零件外側(cè)分布五處凸臺，零件內(nèi)腔包含兩處 .375-16UNJC-3B螺紋，并要求在該螺紋孔上端面劃窩，深度為0.508±0.254mm。其中一處螺紋孔位于零件上端面以下352.044mm，與水平成10.218°，該零件上端面開口直徑僅為Φ922mm。該零件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致五坐標(biāo)加工中心主軸可達(dá)性受到制約，無法滿足加工要求。

3.2 五坐標(biāo)加工中心簡介

五坐標(biāo)加工中心根據(jù)旋轉(zhuǎn)方式分類分為雙擺頭式五坐標(biāo)加工中心、雙轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心、一擺頭一轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心；根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方式分類分為正交旋轉(zhuǎn)五坐標(biāo)加工中心、非正交旋轉(zhuǎn)五坐標(biāo)加工中心。

根據(jù)我廠實(shí)際情況，我廠現(xiàn)有DMU125P五坐標(biāo)加工中心，該加工中心是德瑪吉公司主流產(chǎn)品，工作行程1250mm*880mm*800mm。該加工中心是非正交、一擺頭一轉(zhuǎn)臺五坐標(biāo)加工中心，含有X、Y、Z三個(gè)線性軸及B、C兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸，且滿足直角笛卡爾坐標(biāo)系，可以五軸聯(lián)動(dòng)加工零件。該設(shè)備刀具接口采用JT50錐通用接口。

3.3 角度動(dòng)力頭簡介

我廠使用的角度動(dòng)力頭是奔馳公司90°直角彎頭，接口采用JT50錐刀柄與DMU125P五坐標(biāo)加工中心接口相連接。該彎頭沿主軸方向有效長度為270.05mm，與之垂直方向有效長度為162.76mm。

3.4加工過程

1）采用“彎頭限位塊”將角度動(dòng)力頭與DMU125P五坐標(biāo)加工中心主軸進(jìn)行連接、固定，使角度動(dòng)力頭與機(jī)床相對位置進(jìn)行固定。

2）由于DMU125P五坐標(biāo)加工中心為非正交45°一擺頭、一轉(zhuǎn)臺式加工中心，故需通過實(shí)驗(yàn)確定彎頭刀尖方向，經(jīng)論證將角度動(dòng)力頭刀尖指向機(jī)床X軸正方向可加工該結(jié)構(gòu)零件，故數(shù)控加工平面應(yīng)采用Y/Z加工平面（即G19平面），對角度動(dòng)力頭與X軸進(jìn)行“拉直”找正，跳動(dòng)不大于0.01mm，鎖緊定位螺釘。

3）確定加工平面后根據(jù)G19將角度動(dòng)力頭各長度數(shù)據(jù)輸入刀具尺寸表中。

注意，由于彎頭刀尖指向X+，與機(jī)床坐標(biāo)系方向相同，故L3、L2應(yīng)輸入負(fù)值。

4）對數(shù)控程序進(jìn)行處理。采用西門子系統(tǒng)自帶的框架平移及旋轉(zhuǎn)功能將加工坐標(biāo)系X軸與孔軸線重合，使坐標(biāo)原點(diǎn)置于螺紋孔起點(diǎn)，進(jìn)而完成數(shù)控程序編制簡單化。

5）運(yùn)行數(shù)控程序，完成零件加工。

4 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

通過對該類零件的加工研究，開拓一種新的加工思路，即角度動(dòng)力頭在五坐標(biāo)加工中心的應(yīng)用。采用這種方法，可以進(jìn)一步提高五坐標(biāo)加工中心的加工可達(dá)性，擴(kuò)大五坐標(biāo)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域，使五坐標(biāo)加工中心可以最大化的發(fā)揮其柔性制造單元的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

西門子840D操作說明書 西門子（中國）