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一種（zhǒng）五軸加工中（zhōng）心（xīn）角度頭固定裝置設計

2018-2-18 來源：成都工貿（mào）職業技術學院成都恒信創智科技作者：陳本（běn）鋒李燦軍

摘要：五軸加工中心在加工存在側向軸頸的複雜零件時，刀具（jù）和（hé）零件的過切幹涉和碰撞幹涉經常發生，影響了加工質量。要充分發揮五軸數控加工的優勢，必須設法解決（jué）這一難題。以往的經驗（yàn）是從編程和算法方麵進行優（yōu）化，該方法路徑複雜（zá）、效率不高、精度較低、普適性較差。而采用新設計的角（jiǎo）度頭固定裝置加工類似零件（jiàn），經實證可以從結構上避免軸頸側銑加工時產生的幹涉現象（xiàng），提高夾具的定位（wèi）精（jīng）度。該固定裝置結構簡單、成本低廉、滿足功能需要，給企業實（shí）際加工提供了一種解決方案（àn）。

關鍵（jiàn）詞：加工中心；附件；角度頭；固定裝置（zhì）

整體（tǐ）葉盤具（jù）有結構複雜、通（tōng）道窄、彎曲幅度大、葉片（piàn）薄、易變形（xíng）等特點，但其精度要求高（gāo）、加工（gōng）難度大。如圖 1 所示，由（yóu）於葉盤的軸頸（jǐng）處於零件的中心位置，且葉片尺寸較大（dà），利用五軸加工中心加工軸頸外圓的槽孔等（děng）特征結構時，刀具（jù）和葉盤（pán）的葉（yè）片（piàn）會產生碰撞幹涉（shè），影響加工質量。基（jī）於此，機械加工中常見的做法是安裝角度頭。角度頭是一種機床附件，可以（yǐ）讓刀具旋轉中心線與主軸旋轉中（zhōng）心（xīn）線成一定角（jiǎo）度，從而滿足徑向加工要求。傳統（tǒng）的角度頭固（gù）定方式間隙較大，當被加工（gōng）材料（liào）較硬、刀具切（qiē）削（xuē）力過大（dà）時，刀具會因為受力而彎曲變形並產生振動，導致（zhì）加（jiā）工效率和加工精度不高。

設計一種能連接角度頭與機床（chuáng）主軸的固定裝置，提高了角度頭的定向精度和剛性，能很好地解決加工軸頸時（shí）刀具與機件發生幹涉時的工藝難（nán）題。下麵（miàn）以航空發動機轉子整體葉盤的軸頸加工為例，介紹該（gāi）角度頭固定裝置的設計理論、使用方法和應用效果（guǒ）。

1 、側銑加工中存在的問題（tí）

以整體葉盤的軸頸特征槽加工為例，其加工軸頸（jǐng）時的裝夾方式應該是大端在下、軸頸（jǐng）在上（shàng）。因為葉盤的軸頸較短，軸頸端離葉片（piàn）較近，且軸頸的（de）特征槽在側麵，加工（gōng）時刀具應該從水平方向（xiàng）進給。接角度頭後，使用功能滿足（zú）了，但加工過程中振動大、不容易控製，加工表麵質量和加工精度差（chà），且刀杆過長容易發生幹涉。如果將刀杆加粗，則旋轉過程中刀具的離心率過大，加工過程抖動嚴重，容（róng）易超出公差範（fàn）圍。

2 、角度頭固定裝置的（de）功能設計

五軸數控機床的功能強大，標準化的機床並沒有預留安裝附件接口（kǒu）。鑒於以上分析中存在的問題，實際加工（gōng）中（zhōng）試圖設計一種角度頭的（de）固定（dìng）裝置，這個固定裝置可以將角度頭和機床主軸連接起（qǐ）來，角度頭上再接刀具。除了滿足功能要求，在使用方麵，角度頭固定裝置結構應簡單（dān）可變（biàn），固定方便快捷，工藝性（xìng）好（hǎo），便於設計和製造，並可以通過鎖緊螺釘消除固定塊和角度頭定（dìng）向銷的間隙，提高定向精度和剛性.

3 、角度頭固定裝置的結構設計（jì）

該固定裝置需要根據機床的尺寸來設計，不具有通用性。附件總體（tǐ）設計可以按照以下步驟進行：設計理論分析、零件（jiàn）的組成、外形尺寸及性能參數的（de）確定、強度設計和（hé）材料的選擇。

本例中選擇瑞士米克朗 UCP800 五軸聯（lián）動（dòng）加工中心（xīn）作為設計依據（jù），其錐柄規格為 HSK63，搖擺式工作台為 630 mm，夾緊麵為（wéi） 600×600 mm，承重（chóng） 500 kg。設計（jì）時，結合主軸直（zhí）徑、工（gōng）件尺寸和刀具規格，選擇機床所能容納的裝置最大尺寸。

3.1 設計理論（lùn）分析

按照功能要求，需要滿足該裝置分別與機床主軸（圖 2）、機床角度頭（圖 3）的固定兩部分（fèn）功能（néng）。其（qí）中，機床角度頭上（shàng）端連接（jiē）主軸、下端連接刀具。

對照功能要求，還要考慮材料的穩定性、聯接的精度、安裝的（de）便捷性、固定裝置的重量（考慮機床的承載能（néng）力）、尺寸（為防止（zhǐ）固定裝置與（yǔ）零件或（huò）者機床部件發生幹涉，固定裝置尺寸（cùn）應盡量小）。

接下來以此為依據（jù）完（wán）成設（shè）計任務。

3.2 組件設計

根據上（shàng）述理論分析，該角度頭固定裝（zhuāng）置（zhì）設計出固定元（yuán）件、定位元件、夾緊元件和鎖緊元（yuán）件四個部分，分別命名為（wéi）定位塊（圖（tú） 4）、固定環（圖 5）、鎖緊螺釘（圖6 ）、定位螺釘。因為每種數控機床的規格不同（tóng），組件（jiàn）中各零（líng）件的尺寸也不盡相同，本例僅作為滿足該機床（chuáng）功能要求的較佳實施方案而（ér）已。固定環的內（nèi）槽（cáo）尺寸根據機床主軸尺寸設計，外輪廓尺寸無太大要求。定位塊尺寸的工作麵要求較高，兩工（gōng）作麵（miàn）分別與固定環和角度（dù）頭緊密連接。為了縮短加工周期，螺釘可以選用標準化元件。

3.3 強度設計

附件設計的質量（liàng）對生產（chǎn）效率、產品質量（liàng）、廢品率（lǜ）等有著直接的影響，為此，設計時要綜合考慮其實用性、經濟性和可（kě）靠性。角度頭在夾緊力作用下，應確保其（qí）定位基麵在固定裝置的固定環工作表麵，該功能要求固定環有一定的抗（kàng）變（biàn）形能力，要求固定環在承受外（wài）力時，有一定的剛性，避免產（chǎn）生不必（bì）要（yào）的變形（xíng）和振動（dòng）。

本例中，五軸加工中心比普通（tōng）機床的剛性差，待加工零件屬於薄壁件（jiàn），加工過程中（zhōng）刀具的（de）扭矩較小，對固定（dìng）裝置的（de）強度要求不高。

3.4 、材料選用

常用的機床夾具材料包（bāo）括（kuò） Q235 鋼、45 鋼、T8 鋼、Cr12 鋼、HT20 等各種鋼質、銅質材料。根（gēn）據機床主軸的剛性、夾持力大小（xiǎo），本著滿足使用條件的前提下（xià）盡量減少成本的原則，選擇碳素結構鋼或合金鋼 42Cr Mo 作為角度頭定（dìng）位裝置的材料，其硬度為 36～42 HRC。該材（cái）料購買方便、熱處理性能較好。

3.5 固定裝置組合圖

如圖 7 所示的（de）角度頭固定裝置。該裝置中，共 4 類 10 個零件，包括固定塊 1 個、固定環 1個、鎖緊螺（luó）釘 6 個、定位螺（luó）釘 2 個。由於定位基準麵與定（dìng）位塊工作表（biǎo）麵接觸麵積較小，因（yīn）此定位塊和固定（dìng）環（huán）之間的位置精度要求較（jiào）高。

4 、角度頭（tóu）固（gù）定裝置的使用說明

圖（tú） 8 為固定裝置在（zài）機床主軸上（shàng）的裝夾示意圖。為了限製固定環與主軸之間（jiān）的自由度，應該用鎖緊（jǐn）螺（luó）釘對主軸進行擰緊。為了便於鎖（suǒ）緊（jǐn），固定環與主軸之間應（yīng）該添加銅墊片。

4.1 固定（dìng）裝置安裝在主（zhǔ）軸上（shàng）

將固定環固定（dìng）在機床的主軸上，預先移動到主軸的上端。用螺釘連接主軸和固定環，在主軸和螺釘的接（jiē）觸（chù）麵上各加一個薄銅片，防止螺釘壓傷主軸。螺釘擰緊的程度要適當（dāng），以固定環不（bú）鎖（suǒ）緊、不下滑為準。

4.2 角度頭安裝在固定裝置（zhì）上（shàng）

將定位塊套在角度頭的定（dìng）位（wèi）柱上，將主軸（zhóu）定向到與角度頭（tóu）刀柄槽對齊。將角度頭向上靠近主軸，將（jiāng）預（yù）先移動到高（gāo）處的固定環與固定塊的安裝孔對齊，將固定環的螺釘鬆開，將固定環從主軸高處（chù）向下移動一定的（de）距離。將固定環鎖緊，在此過程中保持（chí）其（qí）安裝孔與固定塊的安（ān）裝孔對齊。擰緊角度（dù）頭的緊定銷，消除角度頭與定位塊之間的間隙。安裝（zhuāng）完成，在角度頭的夾緊裝置上接上（shàng）刀具即可工作。

4.3 確定工藝設置參數

確定加工工序後選擇刀具，並設置刀具參數。選擇的編程原點（diǎn）應方便編程、測量和操作，同時考（kǎo）慮引起的加（jiā）工誤差（chà）較（jiào）小。將刀具的刀位點放到與編程（chéng）坐標係原（yuán）點一致的位（wèi）置。編寫數控加工程序，修改後處理程（chéng）序。檢查裝夾、刀具和程序，無誤（wù）後開（kāi）始加工（gōng）。

5 、應用（yòng）實例（lì）分析

5.1 加工對（duì）象分析

為了測試該裝置的使用性能，選擇某航（háng）空發動機轉（zhuǎn）子第（dì）一級整體葉盤（pán）為（wéi）例進行（háng）加工。該葉（yè）盤（pán）的設計重量達 35.9 kg，最大回轉直（zhí）徑約Φ800 mm，材（cái）料為鈦合金，葉片最大長度為（wéi） 200 mm，單個葉片的厚（hòu）度為不均勻的 2.5～4 mm。該葉盤軸頸 Φ20 mm、壁厚 3 mm，加工難度大。

5.2 加工步驟分析

因為機床（chuáng）無法使用 RTCP 功能，所以（yǐ）必須將零件（jiàn）放在旋轉工作台的中心，夾緊零件。設定工件坐標係，特別注意工件的角向位置，使工件軸向待加工結構與角度頭和刀具安裝方（fāng）向一致。將固（gù）定裝置（zhì）與機床主軸連接固定，並（bìng）將角度頭安裝在固定裝置上，裝夾刀具。

5.3 加工（gōng）效果比較

通過（guò）實踐加工表明，使用本設計的固定裝置（zhì）加工與（yǔ）未使用該裝置加工相比（bǐ），可使用的刀具長度明顯縮短，加工過程中讓刀量減小，更容易控製（zhì）被加工零件的（de）尺寸精度和表麵質量。加工效率顯著提高，達到了預期的設計要（yào）求。

6 、小結

五軸加工中心（xīn）的功能非（fēi）常強大，因此，設計者（zhě）沒有（yǒu）預留更多的機床附件供企業選擇。通過對五軸加工中心角度頭使用的分析，設計種能夠連（lián）接角度（dù）頭和加工零件的附件（jiàn），擴展了五軸加工中心的加工範圍和功能。實（shí）踐證明，采用角度頭（tóu）固定裝置，增加（jiā）了刀具剛性，解（jiě）決了幹涉問題（tí），對指導企業（yè）生產（chǎn）有實用價值。

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