謝 杰, 徐 強(qiáng)

(蘇州蘇福馬機(jī)械有限公司,江蘇 蘇州 215011)

1 工藝背景

BF14260(TD)C超級(jí)矩形篩是蘇州蘇福馬機(jī)械有限公司實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代、自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的新品,其設(shè)計(jì)的高度和工藝的難度不言而喻。篩箱是超級(jí)篩中最重要的主關(guān)件,它是外形為長(zhǎng)6 100 mm、寬3 358 mm、高2 250 mm 、重量達(dá)8 t的超大結(jié)構(gòu)件。篩箱通過(guò)四個(gè)昂貴不菲的進(jìn)口ROSTA柔性支撐,保證箱體的5°斜置,并通過(guò)X型高強(qiáng)度板定位聯(lián)接,實(shí)現(xiàn)與主軸的偏心驅(qū)動(dòng),結(jié)合雙層和每層粗、中、細(xì)篩網(wǎng)多規(guī)格,從而高效完成箱內(nèi)刨花螺旋前行和分級(jí)篩選。其工藝要求既要在焊接方面要做“強(qiáng)篩箱”,保證在每天24 h、日復(fù)一日不停循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力下的疲勞壽命,更要在機(jī)加工方面要做“準(zhǔn)篩箱”,保證“ROSTA安裝面5°斜置面、及其面上X型板安裝孔”三者相互位置精度的準(zhǔn)確,以滿足“結(jié)構(gòu)更對(duì)稱、受力更平衡、效率更充分、性能更穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)久”的設(shè)計(jì)初心要求。本文重點(diǎn)通過(guò)對(duì)這一工藝攻關(guān)過(guò)程的梳理,總結(jié)出篩箱各主關(guān)加工要素及其形位要求如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)的一些體會(huì)。

2 工藝過(guò)程

2.1 工藝分析

通過(guò)對(duì)篩箱(圖一)的分析, 圖1(a)篩箱主視圖上平面中心為工藝基準(zhǔn)點(diǎn),保證A向左視圖中兩側(cè)“ROSTA安裝面、定位邊和槽孔”的位置精度;圖1(b)篩箱K向斜視圖中5°斜置面中心點(diǎn)為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn),保證K向斜視圖中5°斜置面、安裝斜孔與斜置面中心點(diǎn)的位置度,這兩項(xiàng)最為關(guān)鍵。前提是確定工藝基準(zhǔn)點(diǎn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)位置尺寸實(shí)現(xiàn)精確轉(zhuǎn)換,也是破解做準(zhǔn)篩箱的要點(diǎn)思路所在,即第一設(shè)立“上平面中心即工藝基準(zhǔn)點(diǎn)為原點(diǎn)、縱向?yàn)閄軸、橫向?yàn)閅軸、豎向?yàn)閆軸”的工件坐標(biāo)系,平移坐標(biāo)系,編程加工兩側(cè)ROSTA安裝面、定位邊和槽孔;第二平移坐標(biāo)系原點(diǎn)(即工藝基準(zhǔn)點(diǎn)G)至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)S:第三空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,連續(xù)鏡像編程機(jī)加工5°斜置面:第四連續(xù)平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系45°,編程加工其上X型板安裝孔,正是通過(guò)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的FRAME功能的坐標(biāo)系:坐標(biāo)系的平移、平面二維旋轉(zhuǎn)、三維空間旋轉(zhuǎn)、鏡像等功能,正確實(shí)現(xiàn)工藝和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)的幾何關(guān)系,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、工件坐標(biāo)系的無(wú)縫轉(zhuǎn)換,從而以機(jī)床精度保證設(shè)計(jì)精度,最終加工出符合圖紙要求的主關(guān)精度。

圖1 篩箱設(shè)計(jì)圖

2.2 方案優(yōu)選

表1 兩種方案對(duì)比

通過(guò)比較,兩種方案各有優(yōu)勢(shì),方案一因?yàn)橥ㄟ^(guò)基準(zhǔn)點(diǎn)的確立從而簡(jiǎn)化裝夾定位的次數(shù),并通過(guò)優(yōu)化編程方法,充分用足精大稀數(shù)機(jī)床精度、效率和功能的重要思路,本文以優(yōu)選方案一為主題展開(kāi)深入的工藝討論。

2.3 工件校準(zhǔn)原理

如圖2所示,設(shè)計(jì)有個(gè)初心,位于如圖2的CX點(diǎn),其位置與底框粗基準(zhǔn)有關(guān),從而實(shí)現(xiàn)與斜置5°后篩箱的重心高度相關(guān),以滿足結(jié)構(gòu)對(duì)稱、受力平衡、壽命可靠的設(shè)計(jì)要求,并通過(guò)平移推導(dǎo)獲得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)S點(diǎn)、中間Z點(diǎn)、工藝基準(zhǔn)G點(diǎn),從而構(gòu)成基準(zhǔn)鏈完成保證設(shè)計(jì)初心CX的明確實(shí)現(xiàn)工件校準(zhǔn)的目的就是找到工件在機(jī)床的位置,工件校準(zhǔn)的目標(biāo)是粗基準(zhǔn),并通過(guò)工件坐標(biāo)系來(lái)體現(xiàn)。篩箱的粗基準(zhǔn)是底框(結(jié)合篩箱外形),它向上是“雙層多規(guī)格篩網(wǎng)等距平行”的基準(zhǔn),橫向是“ROSTA安裝面、定位邊和槽孔”的基準(zhǔn),縱向是“進(jìn)出料箱安裝面”的基準(zhǔn),向下是“工藝基準(zhǔn)面和、5°斜置面、及其面上X型板安裝孔”的基準(zhǔn),即如果校準(zhǔn)了底框粗基準(zhǔn),也就保證了機(jī)床加工的各主面與篩箱設(shè)計(jì)初心關(guān)系的正確。

圖2 基準(zhǔn)鏈

一般校準(zhǔn)時(shí)為了保證主關(guān)加工面的余量和均勻,會(huì)進(jìn)行對(duì)粗基準(zhǔn)的人為調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)損失部分粗基準(zhǔn)和獲得主關(guān)加工面余量均勻的兩借,但從設(shè)計(jì)初心的重要性出發(fā),并不建議這樣的調(diào)整,所以應(yīng)更重點(diǎn)提出做準(zhǔn)篩箱應(yīng)從毛坯焊接開(kāi)始的要求,即通過(guò)焊接工序圖明確要求和保證粗基準(zhǔn)與各主關(guān)加工面的幾何關(guān)系,并要求在5°斜置面及機(jī)床上進(jìn)行3 m內(nèi)打表測(cè)量高度差218.72、余量誤差不大于2時(shí),方可繼續(xù)進(jìn)行校準(zhǔn)粗基準(zhǔn)、保證各主面孔加工要求的實(shí)現(xiàn)。

2.4 刀具校對(duì)方法

對(duì)刀的目的就是為刀尖找到與工件加工面的關(guān)系,對(duì)刀的目標(biāo)常常是以刀尖為原點(diǎn),并通過(guò)刷新工件坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn),從而實(shí)現(xiàn)刀具和加工面的最近關(guān)系、方便直觀地編程加工。由于一般加工都在G17、G18、G19平面坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn),對(duì)刀較為簡(jiǎn)單,只要提供其對(duì)刀基準(zhǔn)即可,如在加工篩箱四側(cè)的ROSTA安裝面和進(jìn)出口料箱安裝面時(shí),只要在對(duì)上平面工藝基準(zhǔn)面四側(cè)進(jìn)行對(duì)稱加工提供對(duì)刀面即可。但對(duì)空間坐標(biāo)系中的加工面,如5°斜置面及其面上X型板安裝孔的加工,仍需要設(shè)計(jì)出相對(duì)復(fù)雜的對(duì)刀的方法和計(jì)算,即用對(duì)刀頂尖對(duì)刀、再利用對(duì)刀頂尖與銑刀盤和鉆頭的刀具長(zhǎng)度差,計(jì)算出相應(yīng)的刀補(bǔ)增量,在工件坐標(biāo)系進(jìn)行追加一次平移,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同刀具的不同補(bǔ)償。刀補(bǔ)增量計(jì)算如圖3所示。

圖3 刀補(bǔ)增量計(jì)算

從圖3中可以看出,刀具相對(duì)對(duì)刀頂尖可長(zhǎng)可短,刀補(bǔ)增量也相應(yīng)可正可負(fù),可以推導(dǎo)出刀補(bǔ)增量計(jì)算公式:

ΔX=(L-L0)sin5°
ΔY=0
ΔZ=(L-L0)cos5°

L,刀具長(zhǎng)度;L0,頂尖長(zhǎng)度。兩者通過(guò)對(duì)刀儀測(cè)量獲得。

對(duì)刀方法為在上平面上用對(duì)刀頂尖按坐標(biāo)為(0,k,0)的Q點(diǎn)取一對(duì)刀點(diǎn),萬(wàn)能角銑旋轉(zhuǎn)斜置5°,利用對(duì)刀頂尖和輔助放大鏡、進(jìn)行對(duì)對(duì)刀點(diǎn)的細(xì)致對(duì)刀,然后平移定位至工件坐標(biāo)系原點(diǎn)、換刀、平移一次刀補(bǔ)增量(ΔX,ΔY,ΔZ)、重置刷新工件坐標(biāo)系,確立了刀尖中心位于新工件坐標(biāo)系的原點(diǎn),從而只要通過(guò)換算就可巧妙替代和完成斜置坐標(biāo)系下的多次復(fù)雜對(duì)刀過(guò)程。

在五軸聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)換刀、批量生產(chǎn)的工況下,結(jié)合采用G代碼直接調(diào)用刀補(bǔ)(半徑、長(zhǎng)度)的自動(dòng)補(bǔ)償方式,就可實(shí)現(xiàn)不間斷的全過(guò)程編程和加工,但在單件即終件、試件即成品,以及更為普遍的無(wú)自動(dòng)換刀的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上,往往不采用G代碼直接調(diào)用刀補(bǔ),而是常常通過(guò)對(duì)刀、以刀尖中心為原點(diǎn)更新工件坐標(biāo)系、邊加工和邊測(cè)量的方式進(jìn)行編程和加工,雖加工流暢性和效率有所降低,卻因具有工步獨(dú)立、編程簡(jiǎn)化、不受坐標(biāo)系復(fù)雜轉(zhuǎn)換后的影響等靈活優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。

2.5 工藝流程

通過(guò)工藝分析,結(jié)合單臺(tái)機(jī)床方案優(yōu)選、工件校準(zhǔn)原理、刀具校對(duì)方法等,可導(dǎo)出工藝路線:①工件在機(jī)床上定位校準(zhǔn);②以上平面中心點(diǎn)建立工件坐標(biāo)系,主軸頂銑加工上平面工藝基準(zhǔn)面、四周對(duì)刀側(cè)邊、點(diǎn)取對(duì)刀點(diǎn);③平移坐標(biāo)系至兩側(cè)面和端面,萬(wàn)能銑頭直置、對(duì)刀、側(cè)銑兩側(cè)ROSTA安裝面、定位邊和槽孔、以及進(jìn)出口箱安裝面;④平移坐標(biāo)系至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)S,空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,萬(wàn)能銑頭斜置、對(duì)刀、鏡像、三維插補(bǔ)面銑5°斜置面;⑤平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,萬(wàn)能銑頭斜置、對(duì)刀、旋轉(zhuǎn)、三維插補(bǔ)鉆削斜面上X型板安裝孔。

3 編程

在數(shù)控加工中有這樣的行話:“編程會(huì)坐標(biāo),數(shù)控會(huì)一半;工件會(huì)校準(zhǔn),加工會(huì)一半”。所以如何充分運(yùn)用好西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的FRAME功能(如坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等)是高效編程的關(guān)鍵,特別是坐標(biāo)系空間旋轉(zhuǎn)功能,如圖4XY平面繞Y軸空間旋轉(zhuǎn)所示,通過(guò)坐標(biāo)系空間轉(zhuǎn)換,把原來(lái)斜面各加工要素的三維編程變成了在平面坐標(biāo)系進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了化繁為簡(jiǎn)、化難為易的計(jì)算和編程。

圖4 XY平面坐標(biāo)系統(tǒng)Y軸空間旋轉(zhuǎn)

以5°斜置面面銑程序?yàn)槔?見(jiàn)圖5(5°斜置面,為圖1(b)K向視圖)。其流程為:點(diǎn)對(duì)刀點(diǎn)→萬(wàn)能銑頭旋轉(zhuǎn)斜置5°→對(duì)對(duì)刀點(diǎn)→平移坐標(biāo)系原點(diǎn)→換刀銑刀盤→平移刀補(bǔ)增量→重置刷新工件坐標(biāo)系→工件坐標(biāo)系平移至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)S→空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系5°→定位刀盤至坐標(biāo)系原點(diǎn)→面銑5°斜置面(A)→三次鏡像面銑其余5°斜置面。

圖5 5°斜置面

程序如下:

G54G0 X0 Y0 Z0鉆尖中心定位在工件坐標(biāo)系原點(diǎn)

TRANS X-11.51Y0Z-1.01坐標(biāo)系平移至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)

AROT Y5坐標(biāo)系繞Y軸空間轉(zhuǎn)5度

MIANXI子程序面銑A

AMIRROR X0

MIANXI子程序面銑B

AMIRROR Y0

MIANXI子程序面銑C

AMIRROR X0

MIANXI子程序面銑D

……

以5°斜置面其上X型板安裝孔鉆孔為例,見(jiàn)圖6(5°斜置面X型板安裝孔,為圖1(b)K向視圖)。

圖6 5°斜置面X型板安裝孔

其流程為:銑刀盤回工件坐標(biāo)系原點(diǎn)→換刀鉆頭→平移刀補(bǔ)增量→重置刷新工件坐標(biāo)系→定位鉆頭至坐標(biāo)系原點(diǎn)→平移坐標(biāo)系至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)S→空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系5°→平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系45°→鉆孔(A部分)→三次平面旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系45°鉆其余部分孔。

程序如下:

G54G0 X0 Y0 Z0鉆尖中心定位在工件坐標(biāo)系原點(diǎn)

TRANS X-11.5Y0Z-1.01坐標(biāo)系平移至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)點(diǎn)

AROT Y5坐標(biāo)系繞Y軸空間轉(zhuǎn)5°

AROT Z45坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔A

AROT Z45坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔B

AROT Z45坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG 子程序鉆孔C

AROT Z45坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°

ZHUANKONG子程序鉆孔D

……

4 結(jié)論

(1)通過(guò)在一臺(tái)機(jī)床上進(jìn)行一次定位,保證了工件在機(jī)床上的調(diào)整時(shí)間最短、加工誤差最小,充分用足數(shù)控機(jī)床的精度、效率。

(2)通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的確立,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、工件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,保證了設(shè)計(jì)精度與機(jī)床精度的最大一致。

(3)通過(guò)保證工件對(duì)粗基準(zhǔn)校準(zhǔn)和焊接工序要求,追蹤底框粗基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)初心CX、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)S、中間點(diǎn)Z、工藝基準(zhǔn)點(diǎn)G,可達(dá)成設(shè)計(jì)要求。通過(guò)刀具的刀補(bǔ)增量和工件坐標(biāo)系重置,僅用一次頂尖對(duì)刀,可免除斜置的坐標(biāo)系下復(fù)雜的多次對(duì)刀

(4)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)系FAME功能特別是空間旋轉(zhuǎn)功能,保證篩箱主關(guān)加工要素ROSTA安裝面、5°斜置面、及其面上X型板安裝孔三者位置關(guān)系的編程和加工正確實(shí)現(xiàn),充分發(fā)揮出西門子數(shù)控系統(tǒng)可靈活編程的特點(diǎn)。

(5)在多臺(tái)矩形篩箱的加工中,做到全部合格,成為公司此類超級(jí)篩箱加工的典型工藝和一種成熟實(shí)用的加工方法。