□ 武志鵬 □ 焦紅衛(wèi)

1.武漢技師學(xué)院 機(jī)械學(xué)院 武漢 430051 2.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 武漢 430205

1 多面體零件簡(jiǎn)介

多面體零件在傳統(tǒng)三軸加工中需要借助夾具多次裝夾來完成各面的加工,這樣的加工方法效率低、成本高,且加工精度易受人為因素影響。若采用五軸加工,則可以通過旋轉(zhuǎn)第四、第五軸使被加工部位與刀具垂直或平行,從而使零件的加工較為簡(jiǎn)單,且易于保證加工精度,提高加工效率。圖1所示為某汽輪機(jī)零件。該零件為臺(tái)階軸,大端外形為六棱錐臺(tái),頂面與六側(cè)面共有七處沉孔與螺紋孔,面與面、孔與孔、孔與面之間的法線方向各不相同,且均有尺寸要求,是加工的難點(diǎn)。該零件共需加工20件,若定制夾具后采用三軸機(jī)床加工,則單件加工成本較高,而在五軸機(jī)床上使用通用夾具裝夾加工,則較為經(jīng)濟(jì)[1]。筆者基于NX軟件對(duì)該多面體零件進(jìn)行五軸加工研究。

2 工藝分析

該多面體零件屬于臺(tái)階軸類零件,并有內(nèi)臺(tái)階孔,材質(zhì)為H80,毛坯為φ50棒料。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,先用數(shù)控車床將零件的臺(tái)階軸及同軸內(nèi)孔等部位加工至如圖2所示,然后在五軸數(shù)控機(jī)床上采用三爪卡盤一次裝夾完成側(cè)面、沉孔及螺紋孔等剩余部位的加工。加工設(shè)備為DMU60 Mono Block五軸加工中心,控制系統(tǒng)為HEIDENHAIN iTNC530,第四、第五軸為擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)B、C軸結(jié)構(gòu),支持五軸五聯(lián)動(dòng)、刀尖跟隨及剛性攻絲功能,行程滿足加工要求。由圖1可知,該多面體零件的五軸加工實(shí)質(zhì)上是五軸定向加工,加工時(shí),旋轉(zhuǎn)B、C軸使待加工部位垂直于刀具,然后銑平面、鉆孔、銑孔、倒角、攻絲。加工工序見表1[2]。

圖1 汽輪機(jī)零件

圖2 數(shù)控毛坯加工

3 數(shù)控編程

HEIDENHAIN iTNC530數(shù)控系統(tǒng)具有坐標(biāo)變換、加工面、型腔銑、鉆孔、攻絲等固定循環(huán)功能,可滿足多面體零件五軸定向加工的需求。但考慮到該多面體零件各面孔位坐標(biāo)的計(jì)算與變換過程較為煩瑣,為避免錯(cuò)誤、節(jié)約時(shí)間,選擇NX軟件進(jìn)行編程。NX軟件具有較強(qiáng)的五軸編程功能,可以使用HEIDENHAIN iTNC530的鉆孔、攻絲等固定循環(huán)格式代碼,同時(shí)支持手工編輯,可以大幅提高編程效率。

表1 加工工序

3.1 確定裝夾及坐標(biāo)系

盡管五軸加工機(jī)床結(jié)構(gòu)多樣,旋轉(zhuǎn)軸形式不一,但由于設(shè)備具有刀尖跟隨功能,系統(tǒng)可對(duì)回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)偏差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,因此裝夾及坐標(biāo)系的確定與三軸加工相同。三爪卡盤裝夾工件,坐標(biāo)原點(diǎn)建立在工件上表面中心處,如圖3所示,坐標(biāo)可以使用百分表找中心法確定,也可以通過系統(tǒng)自帶的分中功能配合探頭確定。除傳統(tǒng)三軸加工中應(yīng)注意的裝夾事項(xiàng)外,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):① 工件回轉(zhuǎn)中心應(yīng)盡量靠近C軸轉(zhuǎn)臺(tái)中心,以減小機(jī)床轉(zhuǎn)臺(tái)定位精度與重復(fù)定位精度對(duì)加工精度的影響;② 刀具與夾頭的長(zhǎng)度不應(yīng)過長(zhǎng),以免B軸擺頭擺至待加工面法線方向時(shí)造成超程;③ 夾頭直徑不應(yīng)過大,以免側(cè)刃銑削平面時(shí)夾頭與工件頂面發(fā)生干涉,如圖4所示[3]。

圖3 裝夾及坐標(biāo)系

圖4 夾頭與工件頂面干涉

3.2 構(gòu)造零件模型

NX軟件支持由線框或三維數(shù)字模型生成刀具軌跡,采用數(shù)字模型編程時(shí),軟件可以根據(jù)毛坯尺寸生成刀路。由圖1可知,該多面體零件棱錐面上待去除的毛坯尺寸不規(guī)整,為了提高加工效率,應(yīng)根據(jù)毛坯生成刀具路徑。零件待加工部位呈圓周均布,NX軟件不僅具有特征陣列功能,而且具有刀軌陣列功能,因此只需做出一個(gè)特征并編制程序,再對(duì)刀軌進(jìn)行環(huán)形陣列,即可得到完整刀軌。零件圖造型結(jié)果如圖5所示。

圖5 零件圖造型結(jié)果

3.3 編制刀具路徑

NX軟件支持多種刀軸策略,不同的加工類型,刀軸設(shè)定方式也有所不同。該多面體零件棱錐臺(tái)頂面處為XY平面特征,按三軸加工方式編制即可。多軸加工的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于如何控制刀軸方向,NX軟件提供了多種刀軸解決方案,筆者采用的是指定刀軸矢量方向法。

棱錐臺(tái)側(cè)平面的粗加工采用型腔銑方式,注意指定刀軸為待加工平面法線方向,其余參數(shù)設(shè)定方法與三軸加工相同,NX軟件根據(jù)毛坯外形自動(dòng)生成刀具路徑。棱錐臺(tái)側(cè)平面粗加工如圖6所示。

圖6 棱錐臺(tái)側(cè)平面粗加工

由于立銑刀底刃銑削平面的質(zhì)量不如側(cè)刃,因此棱錐臺(tái)側(cè)平面精加工可以采用側(cè)刃驅(qū)動(dòng)策略銑削。選擇可變輪廓銑,設(shè)置驅(qū)動(dòng)方法為曲面,設(shè)置投影矢量為朝向驅(qū)動(dòng)體,設(shè)置刀軸為側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體[4],生成軌跡。棱錐臺(tái)側(cè)平面精加工如圖7所示。

鉆孔、銑孔、攻絲的刀具路徑均按三軸加工的方式編制,并指定刀軸方向?yàn)榭姿谄矫娴姆ň€方向。按表1編制完成刀具路徑后,進(jìn)行刀軌旋轉(zhuǎn)復(fù)制。選中待陣列刀軌后,由主菜單欄選擇ToolsOperationNavigatorObjectTransform,或在導(dǎo)航器中操作。平面粗加工刀軌旋轉(zhuǎn)復(fù)制參數(shù)及結(jié)果如圖8所示。

3.4 后處理

后處理器文件夾路徑為根目錄下ProgramFilesSiemensNX10.0MACHResourcePostProcessor,用記事本打開template_post.dat文件,將設(shè)備的后處理程序添加至NX軟件后處理器中。NX軟件能夠根據(jù)后處理程序基于刀具路徑生成數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的程序代碼,系統(tǒng)具有刀尖跟隨功能,且后處理可生成刀尖跟隨指令,因此其它操作與三軸加工一致[5-7]。

圖7 棱錐臺(tái)側(cè)平面精加工

圖8 平面粗加工刀軌旋轉(zhuǎn)復(fù)制參數(shù)及結(jié)果

NX軟件提供了中心孔、啄鉆、斷屑鉆和攻絲等多種孔加工固定循環(huán)方式,后處理能夠生成循環(huán)207這一固定循環(huán)格式的數(shù)控代碼,如圖9所示。

值得注意的是,HEIDENHAIN iTNC530數(shù)控系統(tǒng)具有斷屑攻絲循環(huán)209功能,通過多次進(jìn)給加工螺紋直至達(dá)到編程深度,并可以通過參數(shù)定義是否需要將刀具從孔中全部退出以進(jìn)行排屑。此功能用于機(jī)攻螺紋,可以有效降低絲錐折斷的風(fēng)險(xiǎn)。在機(jī)床控制器中將NX軟件生成的一個(gè)鉆孔程序復(fù)制、粘貼,并修改循環(huán)類型及相關(guān)參數(shù),可以得到后續(xù)鉆孔攻絲程序,這樣極大方便了程序調(diào)試及首件試切。

循環(huán)209數(shù)控代碼如下:

CYCL DEF 209 TAPPI NG W/ CHIP BRKG

Q200=+2 //安全高度

Q201=-15 //深度

Q239=+1.5 //螺距

Q203=+13.3969 //表面坐標(biāo)

Q204=+50 //第二安全高度

Q257=+1 //斷屑深度

Q256=+5 //斷屑距離

Q336=+0 //主軸角度

Q403=+1 //轉(zhuǎn)速系數(shù)

圖9 循環(huán)207數(shù)控代碼

代碼示意圖如圖10所示。

圖10 循環(huán)209數(shù)控代碼示意圖

4 仿真及加工

五軸加工設(shè)備精度高,使用成本也高,且難以預(yù)測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡,如考慮不周將造成較大損失。程序編制完成后,用Vericut等仿真軟件進(jìn)行仿真,待驗(yàn)證無誤后再上機(jī)加工,可以有效降低成本及風(fēng)險(xiǎn)。NX軟件本身也具有較為完善的仿真功能,但Vericut等第三方軟件僅根據(jù)后處理后的數(shù)控代碼進(jìn)行驗(yàn)證,能夠檢驗(yàn)出由于后處理器不完善所造成的代碼錯(cuò)誤[8-11]。加工時(shí)通過傳輸軟件將驗(yàn)證后的數(shù)控代碼傳輸至機(jī)床,除注意保證刀具伸出長(zhǎng)度及工件夾持高度外,還應(yīng)注意用銑刀夾頭夾持絲錐,確保夾持穩(wěn)固。若加工過程中出現(xiàn)絲錐松動(dòng),則極易造成生產(chǎn)事故。多面體零件仿真及加工如圖11所示,實(shí)際加工如圖12所示。

圖11 零件仿真加工

圖12 零件實(shí)際加工

5 結(jié)束語

筆者基于NX軟件對(duì)某汽輪機(jī)多面體零件的五軸加工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了加工步驟、參數(shù)、軌跡編制要點(diǎn)及五軸加工注意事項(xiàng),提出了使用HEIDENHAIN iTNC530數(shù)控系統(tǒng)的程序編輯功能配合NX軟件自動(dòng)編程提高編程效率的方法。通過設(shè)置刀軸矢量方向,將三軸加工方法應(yīng)用于五軸加工,增強(qiáng)技能知識(shí)通用性。

通過設(shè)置合理的側(cè)刃驅(qū)動(dòng)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)五軸側(cè)銑銑削平面,以提高平面加工質(zhì)量。通過Vericut等第三方軟件仿真及實(shí)際加工生產(chǎn),確認(rèn)所設(shè)計(jì)的多面體零件五軸加工方法合理有效,可以為同類零件的加工提供參考。