討論具備U軸功能的臥式加工中心的應用
時間:2011-07-20 08:54:17 來源:未知
1 前言
在臥式加工中心的發(fā)展過程中，普通的X、Y、Z軸配合主軸已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代加工的要求，針對多功能及復合加工的要求、人們又開發(fā)了B、W、U軸及各軸聯(lián)動以實現(xiàn)復合加工。筆者現(xiàn)僅就打軸加工的應用進行討論。
在液壓氣動、工程機械、石油化工設備、汽車、機車車輛及電力設備等行業(yè)中，以橋殼、差速器殼體泵體及閥體類型的零件為主要加工對象。此類零件在使用臥式加工中心加工中，由于其自身結構特點及對加工方式的特殊要求，主要存在有下列問題：其一，此類零件有大量的內徑不同的同軸孔系且同軸度要求高；其二，有些泵體和閥體對其密封性要求非常高；另外還由于其它各種原因，使得此類零件的加工往往依賴專機。
為了解決這些矛盾，刀具制造商推出了具備U軸功能的刀具。此類刀具配有CNC控制單元與機床伺服系統(tǒng)連接（有關技術協(xié)議需事先與機床制造商討論），另配有連接軸完成驅動。以此實現(xiàn)U軸與Z軸聯(lián)動，可以完成錐孔、R面、車螺紋等加工。選配的探頭可進行自動測量、自動加工、提高加工精度，此方法對于普通臥式加工中心臨時追加U軸功能可以滿足要求。但是，在實際使用過程中。具備U軸功能的刀具存在下列不足之處：（1）刀具的伺服單元及驅動單元的連接與安裝對機床的系統(tǒng)功能及機械結構空間有特殊要求；（2）自身結構較單薄，不適用于強力重切削；（3）對于孔徑差別大的或加工內容有區(qū)別的加工，仍需采用多把U軸功能的刀具，由于這是專用刀具，價格較昂貴，所以很不經(jīng)濟。
2 具備U軸的臥式加工中心
日本新瀉鐵工（NIGATA）開發(fā)生產(chǎn)的BFN系列復合臥式加工中心賦予了傳統(tǒng)臥式加工中心新的概念，其U軸功能不僅僅解決了上述異型件的加工問題，同時對于普通加工也大大減少了刀具使用數(shù)量，提高刀具集成化。其主要特點為：
- U軸單元直接安裝于高剛性主軸端部，驅動單元通過主軸內部的齒輪、齒條傳動實現(xiàn)，使得U軸的剛性大大提高；
- U軸行程為50mm，最大鏜孔直徑可達300mm；
- 刀柄形式為1/10的短錐、端面雙接觸刀柄，適用于高精度強力重切削；
- 采用獨特U軸冷卻系統(tǒng)，與U軸保持同步回轉，增強刀刃冷卻效果；
- 配有專用編程輔助軟件（SNAP3），簡化、優(yōu)化編程及程序調試；
- 另有自動探測、補償系統(tǒng)作為選擇功能（機內非換刀式），自動完成“粗加工→孔徑自動測量→U 軸自動補償→精加工”全過程。
現(xiàn)舉簡例（見圖）比較BFN復合加工中心與傳統(tǒng)加工中心的加工工藝：
| 傳統(tǒng)加工中心 |
BFN復合加工中心 |
刀具：14把
刀具；4把（另需探測頭1把）
1.?52 粗鏜；
1.?42～?68及端面粗加工；
2.?52 半精鏜；
2.?42～?68精加工；
3.?52 精鏜；
3.?98 精加工；
4.?68 粗鏜；
4.各端面精加工：
5.?68 半精鏜
6.?68 精膛
7.?98 外圓及端面粗、半精加工；
8.?98 外圓精鏜；
9.?42 粗鏜；
1O.?42半精鏜；
11.?42精鏜；
12.?64粗鏜；
13.?64半精鏜；
14.?64精鏜。
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僅此例可見、BFN復合加工中心大大減少刀具數(shù)量及輔助時間，體現(xiàn)了其復合加工的特性。
加工例圖
上述諸多特點中，使用U軸加工時程序的編制與調試與使用者關系最為密切，且較一般數(shù)控加工程序有區(qū)別。NIGATA的專用編程輔助軟件（SNAP3）以宏程序的形式編制，依靠宏程序執(zhí)行器調用，既提高程序調用速度又釋放用戶宏程序可用空間。其具體功能包括：
- 內徑加工：G66.1 P8001；
- 外徑加工：G66.1 P8002；
- 端面V型孔粗加工：G65 P8003；
- 端面V型孔精加工：G65 P8004；
- 階梯端面加工；G66.1 P8005；
- 階梯端面反向加工：G66.1 P8005；
- 外螺紋加工：G117 M332；
- 內螺紋加工：G117 M333；
- 外錐螺紋加工：G117 M336；
- 內錐螺紋加工：G117 M335；
- U軸坐標系設定功能；
- 刀具刀尖圓角左補償：G66.1 P8041；
- 刀具刀尖圓角右補償：G66.1 P8042；
- U 軸位置補償功能：G101。
用戶應用SNAP3編制加工程序，僅需依照加工輪廓的縱剖面，給出各拐點坐標值即可，宏程序自動安排加工工步，減少計算量及人為錯誤。反之，如果僅配置U軸功能而無類似的軟件支持，編制加工程序將是非常繁瑣的工作。另外，用戶可根據(jù)實際經(jīng)驗，調整一些宏參數(shù)來調整切削工步分配及每工步的切削參數(shù)以達到理想精度與尺寸。
3 存在的問題
- 使用U軸加工，離心力的影響是不可避免的（即便機床具有平衡配重機構）。NIGATA為此專門設計了G101-U軸位置補償功能。但是，主軸回轉時的離心力，受刀具重量、長度，回轉速度，切削狀態(tài)等因素影響而成為一個不定量。筆者根據(jù)實際使用經(jīng)驗認為，僅僅依靠“G101-U軸位置補償功能”是不夠的，需要一至二次試切，根據(jù)切削數(shù)據(jù)，改變刀具補償值以達到目標尺寸。這些經(jīng)驗補償值可作為自己的數(shù)據(jù)庫，以備將來需要。
- 同樣出于離心力的考慮，機床對于U軸使用時的最高主軸回轉速度予以強行設置，（當然可以通過修改參數(shù)值重新設置，但出于安全考慮，不推薦。）所以，對于需要高速加工的材料（例如：鋁材），加工效果不太理想無油軸承。
綜上所述，具備U軸功能的臥式加工中心無論從異型工件加工上還是提高加工效率、降低加工成本上，都是一種值得推廣的機型。但同時，這種復合加工中心在機械結構及軟件支持上還有進一步完善的必要。