中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 趙辭 韓德印 賀芳 李家永

提升數(shù)控立車效能綜合技術(shù)應(yīng)用

中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 趙辭 韓德印 賀芳 李家永

該項(xiàng)目針對(duì)軍工企業(yè)現(xiàn)有數(shù)控立車應(yīng)用潛能發(fā)揮所存在的共性問題，通過對(duì)提高數(shù)控加工效能關(guān)鍵技術(shù)的研究，如挖掘數(shù)控設(shè)備潛能、發(fā)揮機(jī)床的性能、提高現(xiàn)有數(shù)控立車的有限切削時(shí)間比例、提高產(chǎn)品和檢測(cè)效率等，給出了對(duì)提高數(shù)控立車加工效能非常有效的實(shí)施方案。

一、引言

目前，軍工企業(yè)隨著技術(shù)能力提升和數(shù)控設(shè)備引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的數(shù)控加工。經(jīng)過多年的探索，在數(shù)控加工技術(shù)研究與應(yīng)用方面也取得了較大進(jìn)步，形成了具有一定數(shù)控加工能力的生產(chǎn)體系。但數(shù)控加工中程序調(diào)整、工裝夾具準(zhǔn)備、刀具準(zhǔn)備及零件檢測(cè)等占用的時(shí)間較多，加工效率偏低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)占用的時(shí)間僅占機(jī)床全部活動(dòng)時(shí)間的40%，無法充分發(fā)揮設(shè)備能效，制約高效數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，亟待開展充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備能效的綜合技術(shù)研究和應(yīng)用實(shí)踐工作。

二、研究目標(biāo)

1.零件類型及加工現(xiàn)狀分析

選取典型批產(chǎn)零件的數(shù)控立車工序開展攻關(guān)，分析其存在的共性問題：數(shù)控程序以手工編制輪廓程序?yàn)橹?，部分零件加工無專用程序，由操作者手工編程；車削效率較低，鈦合金加工線速度僅為40～50m/min、高溫合金加工線速度30～40m/min；無專用夾具或夾具裝夾過程復(fù)雜，裝夾效率低；機(jī)床冷卻條件較差；沒有合理應(yīng)用刀庫、自動(dòng)換刀等功能。

2.預(yù)期達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)

（1）數(shù)控立車批生產(chǎn)有效加工時(shí)間提高到70%；（2）效率倍增：在進(jìn)給倍率100%的前提下，有效切削刀路提高到90%以上，總體切削效率提高30%。

三、技術(shù)途徑

1.優(yōu)化工藝方案

（1）合理設(shè)置粗車加工尺寸公差和余量。

如某零件No.30細(xì)車一端工序給精車工序預(yù)留余量過大，最大的地方達(dá)到5mm。對(duì)易變形的薄壁環(huán)形件來說，余量越大，后續(xù)精加工零件變形可能性就越大，越不利于保證零件的尺寸精度和技術(shù)條件。調(diào)整零件加工余量，盡可能在粗加工時(shí)去除更多的余量，使零件早一些釋放應(yīng)力，減少零件后續(xù)加工變形量，如圖1所示。

（2）按設(shè)備效能最大化原則集中工序。

圖1 優(yōu)化細(xì)車工序給精車工序預(yù)留余量對(duì)比圖

如某零件精車工序冗長(zhǎng)且分散，存在多次更換夾具、零件多次裝夾等問題，批產(chǎn)零件生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間及工序周轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)。

合并工序，減少工序周轉(zhuǎn)及工序準(zhǔn)備時(shí)間，縮短加工周期；改變并統(tǒng)一裝夾基準(zhǔn)，盡可能使工序集中，將精加工夾具由4套該為2套，節(jié)省加工成本，如圖2所示。

圖2 某零件精車工序調(diào)整前后對(duì)比圖

（3）改進(jìn)裝夾定位結(jié)構(gòu)，提高加工系統(tǒng)剛性。

某零件原精車工序如圖3所示，由于壓緊位置與加工位置成長(zhǎng)懸臂弱剛性狀態(tài)，加工過程易震顫，吃刀量小，加工效率低，優(yōu)化后既提高了系統(tǒng)剛性又應(yīng)用倒錐漲緊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了零件的快速裝夾地位，使加工效率、裝夾效率顯著提高。

圖3 優(yōu)化裝夾定位結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

2.應(yīng)用快換工裝系統(tǒng)

快換工裝是應(yīng)用工裝快速換裝技術(shù)，采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)，通過氣動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)工裝快速裝卸、定位而設(shè)計(jì)制造的一整套工裝系統(tǒng)，使裝夾找正時(shí)間由30分鐘，縮短到5分鐘，如圖4所示。

圖4 快換工裝圖及原理圖

3.高效低應(yīng)力切削試驗(yàn)

應(yīng)用14組車加工刀具，選取GH4169、GH536和TC4三種材料，通過對(duì)不同的切削線速度、切深、進(jìn)給和冷卻方式的調(diào)整，完成了32組的切削試驗(yàn)，形成刀具全壽命管理卡片，如表1所示，并總結(jié)以下幾方面：

◎ 硬質(zhì)合金刀具加工GH4169材料線速度超過60m/min刀具磨損較快，應(yīng)采用恒線度切削，避免切削過程中線速度的大幅改變。

◎ GH4169材料應(yīng)用硬質(zhì)合金刀具加工，粗加工線速度40～50m/min、精加工60m/min綜合效益更優(yōu)。

◎ 通過采用外冷轉(zhuǎn)內(nèi)冷技術(shù)可以有效降低切削區(qū)域溫度，從而提高刀具壽命或提高線速度、進(jìn)給率。

◎ 通過提高進(jìn)給率的方式提高切削效率小于提高切深的成本，可以采用減小切深，增大進(jìn)給的方式提高切削效率。

表1 刀具全壽命管理卡片

4.研究高效的在線測(cè)量技術(shù)

（1）關(guān)鍵尺寸控制代替全尺寸測(cè)量。

數(shù)控程序多數(shù)由CAM軟件自動(dòng)生成，刀軌點(diǎn)位根據(jù)零件模型計(jì)算確定，因此在保證零件模型和程序仿真正確的前提下，在同一程序、同一刀具的加工部位選擇軸向和徑向各一個(gè)關(guān)鍵尺寸，保證這兩個(gè)尺寸檢查合格后，該程序加工的其他尺寸也能滿足尺寸精度要求，從而代替加工過程中的全尺寸測(cè)量。關(guān)鍵尺寸的選擇應(yīng)盡量選擇尺寸精度高且易測(cè)量的尺寸。下面列舉兩種情況下的應(yīng)用案例。

圖5 關(guān)鍵尺寸控制代替全尺寸測(cè)量應(yīng)用

該程序主要加工尺寸①②③④⑤⑥及倒角，尺寸①精度要求高且易測(cè)量定為軸向關(guān)鍵尺寸，尺寸②在徑向尺寸中精度較高且容易測(cè)量到定為徑向關(guān)鍵尺寸。程序中使用M00暫停加工，測(cè)量①②尺寸，在這兩個(gè)尺寸達(dá)到加工要求后，一次完成其他尺寸的加工，減少了加工中的尺寸測(cè)量次數(shù)，如圖5所示。

（2）車削在線測(cè)量自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)。

在線測(cè)量自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)是應(yīng)用機(jī)床測(cè)量切削功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工誤差或刀具加工讓刀情況的測(cè)量，并自動(dòng)補(bǔ)償加工刀補(bǔ)，避免人為計(jì)算刀補(bǔ)值錯(cuò)誤造成的加工零件超差或報(bào)廢。該功能機(jī)床運(yùn)動(dòng)過程如下：零件加工余量分兩次加工完成，例如將零件表面留0.6mm余量，先利用車加工刀具車掉0.3mm余量，然后將刀具還回刀庫，通過程序調(diào)出測(cè)量頭，按照測(cè)量程序測(cè)量被加工零件加工尺寸與程序設(shè)定值的偏差，機(jī)床自動(dòng)計(jì)算刀具偏差值，將測(cè)頭還回刀庫，再將之前的車刀調(diào)出，同時(shí)將在線測(cè)量計(jì)算的刀補(bǔ)值輸入被調(diào)出刀具磨耗中，利用補(bǔ)償后的刀具再將余下的0.3mm余量加工掉，整個(gè)加工過程稱為在線測(cè)量自動(dòng)補(bǔ)償切削。

5.物理仿真均衡切削載荷技術(shù)

（1）基于切削載荷優(yōu)化走刀軌跡。

根據(jù)PM分析的切削載荷結(jié)果調(diào)整每段程序的終點(diǎn)位置，避讓拐點(diǎn)的同時(shí)去除拐點(diǎn)區(qū)域的部分材料，使下層程序段切削余量減少，最終均衡切削載荷分布如圖6所示。

圖6 基于切削載荷優(yōu)化走刀軌跡對(duì)比圖

（2）切削試驗(yàn)和均衡切削載荷相結(jié)合的優(yōu)化。

以試驗(yàn)件為原型，對(duì)不同切削參數(shù)加工的切削載荷進(jìn)行仿真，切削載荷數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同切削參數(shù)下的切削載荷統(tǒng)計(jì)表

在v=40mm/min，F(xiàn)=0.1mm/r的條件下，切削載荷隨切深變化如圖8，可見隨著切深增加，切向力、徑向力及三向合力正比增加，單位長(zhǎng)度載荷增長(zhǎng)規(guī)律與雙曲線的一致，而徑向力呈拋物線趨勢(shì)。

圖7 切削載荷隨切削速度變化圖

圖8 切削載荷隨切深變化圖

圖9 切削載荷隨進(jìn)給變化圖

在v=40mm/min，ap=1mm的條件下，切削載荷隨進(jìn)給變化如圖9，可見隨著進(jìn)給率的增加，切削力呈線性變化。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)件切削結(jié)果，粗車的切削載荷的優(yōu)化目標(biāo)值取恒線速度v=50mm/min，F(xiàn)=0.12mm/r，ap=1mm物理仿真的切削力數(shù)值，精車的切削載荷的優(yōu)化目標(biāo)值取恒線速度v=60mm/min，F(xiàn)=0.15mm/r，ap=0.3mm物理仿真的切削力數(shù)值。

四、優(yōu)化對(duì)比分析

表3 改善前后效果對(duì)比

表4 改進(jìn)前后時(shí)間對(duì)比

五、結(jié)語

從實(shí)施前后的對(duì)比效果可見，數(shù)控機(jī)床的效率和潛能都大大提高，可以有效解決數(shù)控立車設(shè)備效能發(fā)揮不充分的共性問題。通過快速定位夾具、高效檢測(cè)等多方面的應(yīng)用研究，大大地提高了數(shù)控設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率，保證了數(shù)控加工的產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，縮短了加工周期，探索出的提高數(shù)控加工效能的實(shí)現(xiàn)模式，對(duì)于提高行業(yè)內(nèi)從事數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)效益，具有非常高的實(shí)用價(jià)值與推廣意義。

通過對(duì)提高數(shù)控加工效能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)數(shù)控加工過程中各方面效率的綜合提升，從實(shí)施前后的對(duì)比數(shù)據(jù)表3、表4可以看出，實(shí)現(xiàn)加工效率提高30%，設(shè)備有效加工時(shí)間比例提高到70%。