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異形零件四（sì）軸數（shù）控加工技術研究與應用

2021-3-2 來源：天津航空機電有限公（gōng）司作者：王旭，鍾洪彬，馮紹富

摘要：通（tōng）過對異形零件的整體結構分析（xī），明確加工（gōng）難點，製定合理的加工工序，結合精益（yì）生產理念完成加工過程。外型加工采用四軸數控加（jiā）工方法，利用CATIA-CAM數控編程模塊完成前（qián）置處理加工軌跡創建，生成APT文件，利用機床後（hòu）置處理（lǐ）技術將刀位軌跡轉換成機（jī）床識別的數控加工程序，再利用VERICUT軟（ruǎn）件（jiàn）對加工程序刀具路徑進行仿真，最（zuì）後在四軸數控機床上完成加工驗證。

關鍵詞：異形零件；精益生產；四（sì）軸數控；VERICUT

本研究（jiū）涉及的異形零件（jiàn）用於通過測量流體（tǐ）壓差而確定流量的裝置，其結構是由等直徑入口段、收縮（suō）段、喉道、擴散段組成，是先收縮而後逐漸擴大的管道，測量（liàng）其入口截麵和最小截麵處的壓力差（chà），再利用伯努（nǔ）利定（dìng）理求出流量。目前在航空航天產品、船舶、熱電、電力等領域應用廣泛。具備對流（liú）體（tǐ）產生的阻力小，壓（yā）差（chà）大、精度高、測量範圍（wéi）寬，穩（wěn）定性好、有平滑的壓差（chà）等（děng）特性。異形零件屬於典（diǎn）型的薄壁鋁合金零件，腔體壁厚（hòu）為 2mm，材料切除率高（gāo）達 80% 以上 , 在加工過程中極易產生變形 , 且在殘餘應力作用下零件很容易發生整體的彎、扭以及翹曲變形。

前期整體加工驗證采用五（wǔ）軸數控機床完成（chéng），為對提升核心零件加（jiā）工能力的整體要求，五軸整（zhěng）體加工周期較長，機床占用率較高。經研究改變了零件加工方案，在（zài）加工方法（fǎ）上進行創新，利用四軸數控（kòng）編程（chéng）技術代替（tì）原有的五軸（zhóu）加（jiā）工，對三軸數控加工中心進行了改造升級成為四軸聯動機床，結合多台數控車床設備將零件（jiàn）的加工工序進行分解，依據分解工序建（jiàn）立精益單元加工工位，按照精益單（dān）元的（de）生產模式進行節拍式、動態加工和管理，形成（chéng）異形零件流水加工生產線。與傳統的五軸加工過程相比較，以小批10 件加工模式（shì）為例效率提升 75% 左右。其中異形（xíng）零件精益單元加工過程的關（guān）鍵技術、難點問題集中在（zài）四軸曲麵加工，異型零件腔體外表分（fèn）布著（zhe）形狀各異的支柱接口，其尺寸精度、外觀表麵要求較高。同時四軸數控機床與五軸數控機床相比，機（jī）床的（de）結構、運動特性發生改變，導致四軸機床刀具（jù）擺動、工作台旋轉受限，編程難（nán）度增（zēng）加。

1、異（yì）形零件結（jié）構特點描述

異形零件作為（wéi）流量溫度傳感器的一部分，零（líng）件（jiàn）包含曲麵、異形槽、異形（xíng）安（ān）裝座、圓周分布的聯接螺柱和安裝孔、高低壓接（jiē）口等特征。結構特點（diǎn）如圖 1 所示。

圖1 異形（xíng）零件結構圖

①高、低壓（yā）管接口異形零件外形曲麵上分布著高、低壓管接口，由於氣流（liú）從等直徑入口段進入，經過孔徑收縮變小、吼道階段過渡，氣（qì）體通過吼道的速度越大，產生的（de）氣體流量壓力越小。相反經過孔徑（jìng）擴張變大，吼道階段過渡，氣體通過吼道的速度越小，產生的氣體流量壓力（lì）越大。

②固定安裝支柱高壓區、低壓區各一個固定安裝支柱，結構尺寸一致，中心位置進行保險（xiǎn）孔位加工，起到固定配合部件的作用。

③感溫部（bù）件（jiàn）接口接口尺寸與感溫部件連接，內孔進行螺紋加工，支柱高度及螺紋深度與感溫部件（jiàn）結構相關（guān），且在感溫部（bù）件接口側後方 45°位置有保險孔（kǒng）位加工（gōng）。起到（dào）固定配合部件的作用。

④密封（fēng）接（jiē）口密封接口分為入口（kǒu）端和出（chū）口端，且均與密封（fēng）圈連接，加（jiā）工尺寸精度（dù）要求較高，確保氣體流量在（zài）入口端、出口端無泄漏現象，否則會對內腔氣體流量壓力產生失壓現象，導致高（gāo）、低壓管接口輸出端氣流壓力不準確。

⑤上、下蓋板安裝槽（cáo）異（yì）形零件正反麵（miàn）平台（tái）內側均勻（yún）分布（bù） U 型槽，局（jú）部（bù）位置與焊接支柱連接，通過焊接加工工藝方法固定（dìng），成型後螺釘擰緊上、下蓋板零（líng）件，封閉與文丘裏管連接的零部件（jiàn）及（jí）其它測試產品。

2、精（jīng）益加工過程

本研究涉（shè）及到的異形零件在加工過程中按照先粗後精，先內後外，先關鍵（jiàn）基準（zhǔn）後其他的（de）原則，以內孔中心軸線作為各工序的基準，減少加工過程（chéng）中定位基準變換。加（jiā）工工藝方法分為（wéi）普車粗加工，數控車加工型腔內孔及（jí）輪廓（kuò）外形曲（qǔ）麵，四軸（zhóu）數控（kòng）銑加（jiā）工外形曲麵及分布的支柱接口，工藝路線劃分（fèn）為：5 工（gōng）序備料（liào）→ 10 工（gōng）序車加（jiā）工→ 15 工序數控車（chē）→ 20 工（gōng）序數控車→ 25 工序數控車（chē）→ 30 工序數控（kòng）銑→ 35 工序數控銑（xǐ）→ 40 工序數控銑→ 45 工序數控車→ 50 工序數控車→ 55 工

序鉗工→ 60 工序洗滌→ 65 工（gōng）序檢（jiǎn）驗，加工（gōng）過程（chéng）示意如圖 2 所示。

圖2 加工過程示意圖

精益單元加工中涉及到普通車床、數（shù）控車床CS200/66、數控車床 CS150、數控車床 CS200、立式四軸數（shù）控加工中心共 5 種設（shè）備。並（bìng）創建工位動（dòng）態（tài）流程如圖3 所示，共計劃分 6 個工位，工位 1 為普車加工、工位 2至工位 4 為（wéi）數控車加工，三台設備完成 5 道數控車加工工序，工位 5 為四軸數控曲麵（miàn）加工，工位 6 為鉗工螺紋加工等。單工序工位間以節拍間隔 3 小時開展（zhǎn）水加工。

圖（tú）3 工位動態流程圖

3、加工難點分析及編程創建

針對異形零件（jiàn）外形曲麵分布的支柱接口特征，采用四軸數控編程方法加工，利用 CATIA-CAM 數控編程軟（ruǎn）件進行前置處理程序編製，在（zài）試驗件加工過程中對零件的外形結（jié）構難點（diǎn）分析見表 1 內容：

表1 外形難點分析表

四（sì）軸數控銑加工過程裝夾方式采用（yòng）芯軸定位（wèi），芯軸夾緊在旋轉工作台上，由 A 軸（zhóu）旋轉帶動零件在加工過程中與主軸發生聯動。芯軸的（de）定位（wèi）基準參考零件回轉中心軸線，依據異形零件（jiàn）內腔結構（gòu）及（jí）尺寸公差要求，確（què）定芯軸工作麵與異形零件內壁貼合良好保持圓跳動≤ 0.01，同軸度（dù）≤ 0.02。在功能（néng）方麵芯軸通過靜摩擦力提供扭矩，保證切削加工穩定性；芯軸提供徑向支撐力，避免切削力引起異形零件薄壁處變形（xíng）。同時芯軸工作麵粗糙度（dù）要在 Ra0.8 以上（shàng），表（biǎo）麵圓滑過渡，不會對異形零（líng）件內壁劃傷。其次芯軸容易安裝、拆卸（xiè），四軸數控銑加工過程中與刀（dāo）具無幹涉問題（tí），芯軸結構特點（diǎn）如圖 4 所示。

圖4 芯軸結構示意圖

將零（líng）件模型導入 CATIA-CAM 加工環（huán）境後（hòu），進入多軸數控加工操作界麵。首（shǒu）先設置機床結構、加工坐標原點、零件幾何體、毛坯（pī）幾何體、加工安全平麵[3]。其次異形零件外形曲麵（miàn）銑加工方法主要應用（yòng）輪廓銑削（xuē）、沿麵銑削、4 軸定向銑削。參數設置主（zhǔ）要包括加工參數、幾何參數、刀具參（cān）數、速（sù）度參數、進退刀參數[4]。四軸曲麵加（jiā）工主要參數設置見表 2。參數設置完成後生（shēng）產模擬加工路徑，此加工過程默認工件是靜止的，刀具相對於（yú）工件是運動的。通過對前置處（chù）理刀具路徑模擬加工，可以分析零件加工後是否有切傷工件、過切（qiē）、欠切情況，模擬驗證無問題後生（shēng）成（chéng）前置 APT 文件，模擬加工如圖 5 所（suǒ）示（shì）。

表2 四軸加工參（cān）數表（biǎo）

圖5 模擬加工示意圖

4 、 VERICUT 仿真及四軸加工驗證

異形零件在四（sì）軸數控機床實際加工前增加了仿真模擬技術，利用 VERICUT 仿真軟（ruǎn）件（jiàn）對數控加工過程進行模擬，此過程可以消（xiāo）除（chú）數控程序中（zhōng）的錯誤，如切傷（shāng）工件、過切（qiē）、欠切、機床碰撞、刀具幹涉等，還可以減少實際切削驗證，提高加工效率（lǜ），改善工件質量（liàng），降低生（shēng）產成（chéng）本。目前隨著數控加（jiā）工技術（shù）的發（fā）展，數控仿真技術的應用十分重要，仿真模擬（nǐ）加（jiā）工過程（chéng）可以確保數控程序的正確性和合理性[5]。

參考（kǎo）四軸數控機床的結構特點和（hé）運動特性 , 創建機床後置處理轉換程序 , 將 CATIA-CAM 數控程序前（qián）置（zhì）處理刀位文件（jiàn）轉換成機床能夠執行的 NC 數控程序 , 再導入 VERICUT 仿真模擬軟件中進行驗證。打開（kāi） VERICUT 仿真軟件，需要在新建項目樹環（huán）境中進行設置，單一工位自定義命名可驗（yàn）證一道數控程序（xù）。首先設置數控機床，數控機床設置（zhì）包括（kuò）機床控製係統，機床的結構和運動方式，行程極限（xiàn）與碰撞設置等參數，在VERICUT 仿真軟件中係統默認若幹（gàn）個可（kě）以直接選用的類似機床控製係統（tǒng）。

機床結構要與實際加工四軸數控設備保持一（yī）致，若 VERICUT 軟件中係統默認的機床結構不符合要求，需要（yào）重新創建機床機構，設置 X 軸、Y 軸（zhóu）、Z 軸（zhóu）、A 軸旋轉、刀具軸、工作台及裝夾、需要加工的毛坯零件，並設置運動方（fāng）式將主軸連接起來（lái），形成（chéng）虛擬（nǐ）的運動機（jī）床結構，將需要驗證加工的毛坯零件裝夾到工作台麵（miàn）上裝夾固定。然後在項目樹中設置加工坐標係，此加工（gōng）原點要（yào）與 CATIA-CAM 中數控編程加工的坐標（biāo）原點保持一致，參考（kǎo）轉換執行的 NC 數控程（chéng）序進行坐標（biāo）係偏置（zhì），在設置完成的加工（gōng）坐標係（xì）右鍵增加偏置坐標係設置（zhì），其中 Fanuc 和（hé） Siemens 控製係統需要在寄存器中輸入 G54 ～ G59 指令。再將數控程序中需要的刀（dāo）具添加到項目樹中的刀具庫中，刀具使用（yòng）順序與數控程序保持（chí）一（yī）致，並調整（zhěng）刀具補償設置對刀點（diǎn） ID 序號與刀具順序號相同。最後將需要驗證的 NC 數控程序導入到項目樹中（zhōng），進行驗證加工。項目樹結構、模擬加工後三維動（dòng）態顯示如圖 6 所示。

圖6 仿真加工示（shì）意圖

將 VERICUT 仿真驗證（zhèng）的數控程序導入四軸數控機（jī）床，裝夾好毛坯零件，設置好加工原點，刀具補償參數實際加工驗證數控（kòng）程序。通過精益（yì）生產的加工過程對此類異形零件加工驗證，實現了加工工藝合理化、數控程序最優化，工裝夾具通用化。也為其它類型零件加工積累經驗（yàn）。

5、結論

異形零件作為流量（liàng）溫度傳感（gǎn）器產（chǎn）品（pǐn）的核心零件（jiàn），整個加（jiā）工過程（chéng）難點問題主（zhǔ）要集中在外形曲麵、異形槽、異形（xíng）安裝座、圓周分布的聯接螺柱和安裝孔、高低壓接口等特征，結合（hé）數（shù）控機床的結構和運動特性采用四軸數控編程技術，利用 CATIA-CAM 數（shù）控編程模塊（kuài）完成四軸數控銑加工程序（xù）創（chuàng）建，再利用 VERICUT 數控模擬仿真軟件（jiàn）完成驗證過程，保證零（líng）件過程中數控程序的準確性和合理性，最後通過（guò）四軸數控機床（chuáng）實際驗證完成加工過程。

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