在數(shù)控臥式鏜床上利用U 軸進(jìn)行復(fù)合加工

        在臥式加工中心的發(fā)展過(guò)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。在液壓氣動(dòng)、工程機(jī)械、石油化工設(shè)備、汽車(chē)、機(jī)車(chē)車(chē)輛、電力設(shè)備等行業(yè)中，以橋體、差速器殼體、泵體及閥體類零件為主要加工對(duì)象，此類零件由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常有2 英寸以上的錐管螺紋加工；泵體及閥體結(jié)合端面常有弧形或異型密封槽，其密封性要求非常高；大量的直徑不同的同軸孔系使得此類零件的加工在普通的臥式加工中心上難以實(shí)現(xiàn)，需要有B 軸、U 軸、W 軸等軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。   為了解決此類零件的加工，機(jī)床制造商和刀具制造商都推出了具備U 軸的解決方案。
一、 具備U 軸功能的刀具
        此類刀具配有CNC 控制單元與機(jī)床伺服系統(tǒng)連接(有關(guān)技術(shù)協(xié)議需事先與機(jī)床制造商討論)，另配有連接軸完成驅(qū)動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)U 軸與Z 軸聯(lián)動(dòng)，可以完成錐孔、R 面、車(chē)螺紋等加工。選配的探頭可進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)加工、提高加工精度。此方法對(duì)于普通臥式加工中心臨時(shí)追加U 軸功能可以滿足要求。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中，具備U 軸功能的刀具存在下列不足之處：
(1) 刀具的伺服單元及機(jī)械結(jié)構(gòu)空間有特殊要求；
(2) 自身結(jié)構(gòu)較單薄，不適用于強(qiáng)力切削；
(3) 對(duì)于孔徑差別大的或加工內(nèi)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(jià)格昂貴，所以很不經(jīng)濟(jì)。
二、 具備U 軸的臥式加工中心 
        日本新瀉鐵工(NAGITA)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的BFN 系列復(fù)合加工中心帶來(lái)了新的概念，其U 軸功能不僅僅解決了上述異型件的加工問(wèn)題，同時(shí)也大大減少了刀具使用數(shù)量，提高了刀具集成化。其主要特點(diǎn)為：
(1) U 軸單元直接安裝于高剛性主軸端部，驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)主軸內(nèi)部的齒輪、齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，使得U 軸剛性大大加強(qiáng)；
(2) U 軸行程為50mm，最大鏜孔直徑可達(dá)300 mm；
(3) 刀柄形式為1/10 的短錐、端面雙接觸刀柄，適用于高精度強(qiáng)力重切削：
(4) 采用獨(dú)特U 軸冷卻系統(tǒng)，與U 軸保持同步旋轉(zhuǎn)，增強(qiáng)刀刃冷卻效果；
(5) 配有專用編程輔助軟件(SNAP3)，可簡(jiǎn)化、優(yōu)化編程及程序調(diào)試；
(6) 另配有自動(dòng)探測(cè)、補(bǔ)償系統(tǒng)作為選擇功能(機(jī)內(nèi)非換刀式)，自動(dòng)完成“粗加工 → 孔徑自動(dòng)測(cè)量 → U 軸自動(dòng)補(bǔ)償 → 精加工”全過(guò)程。 
        NIGATA 的專用編程輔助軟件(SNAP3)以宏程序的型式編制，依靠宏程序執(zhí)行器調(diào)用，既提高程序調(diào)用速度又釋放用戶宏程序可用空間。且用戶應(yīng)用SNAP3 專用編程軟件編制加工程序，僅需依照加工輪廓的縱剖面，給出各拐點(diǎn)坐標(biāo)值即可，宏程序自動(dòng)安排加工工步，減少計(jì)算量及人為錯(cuò)誤。但這種復(fù)合加工中心在機(jī)械結(jié)構(gòu)及軟件支持上還需進(jìn)一步完善。
三、 具備U 軸的數(shù)控臥式鏜床 
        我公司推出的數(shù)控臥式鏜床TK6113、TK6111 系列產(chǎn)品，其具有固定平旋盤(pán)和可拆卸式平旋盤(pán)。平旋盤(pán)滑塊( U 軸) 為數(shù)控軸， 利用SINUMERIK840D 數(shù)控系統(tǒng)強(qiáng)大的控制功能，可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、W、U 軸任意六軸四聯(lián)動(dòng),能夠很容易地完成上述異型件的加工，并且U 軸行程為350mm，最大鏜孔直徑可達(dá)Ф700 mm，極大地提高了加工范圍。下面以TK6113 數(shù)控臥式鏜床為例，利用SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)U 軸與Z 軸聯(lián)動(dòng)，完成錐孔、R 面、車(chē)螺紋等加工。
對(duì)于TK6113 數(shù)控臥式鏜床,具有六個(gè)通道軸XX、YY、ZZ、B、U、W。
機(jī)床參數(shù)設(shè)定中基本幾何軸設(shè)定為：
通道軸XX 軸=第一幾何軸(X 軸)
通道軸YY 軸=第二幾何軸(Y 軸)
通道軸ZZ 軸=第三幾何軸(Z 軸)
通道軸B 軸 =第四幾何軸(B 軸)
通道軸U 軸 =第五幾何軸(U 軸)
通道軸W 軸 =第六幾何軸(W 軸) 
               由于SINUMERIK 840D 數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算時(shí)，必須指定插補(bǔ)平面，即在G17、G18、G19 平面中進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B、U、W軸等軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。因此在使用U 軸與Z 軸聯(lián)動(dòng)完成復(fù)合加工之前，必須先進(jìn)行幾何軸轉(zhuǎn)換，將U 軸轉(zhuǎn)換為第一幾何軸(X 軸)，在G18 平面中進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。
               如何來(lái)進(jìn)行幾何軸轉(zhuǎn)換呢？我們接下來(lái)介紹SINUMERIK 840D 系統(tǒng)中的幾何軸轉(zhuǎn)換指令GEOAX，其指令格式為：
GEOAX( n ，channel axis, n , channel axis,…)
n ……… 所需轉(zhuǎn)換為的幾何軸號(hào)(n =1，2 or 3)；
channel axis ……… 即為通道軸XX、YY、ZZ、B、U、W；
例如：指令GEOAX( 1 ，X X ，2 ，YY ，3 ，ZZ ) 
                該指令的結(jié)果是將通道軸XX 轉(zhuǎn)換為第一幾何軸(X 軸)，將通道軸YY轉(zhuǎn)換為第二幾何軸(Y 軸)，通道軸ZZ 轉(zhuǎn)換為第三幾何軸(Z 軸)。這就是TK6113 數(shù)控臥式鏜床機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定的幾何軸的基本配置。在程序中用指令GEOAX()調(diào)用機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定的幾何軸的基本配置。我們利用幾何軸轉(zhuǎn)換指令GEOAX( 1 ，U )將U 軸轉(zhuǎn)換為第一幾何軸(X 軸)后，就可以利用U 軸與Z 軸進(jìn)行插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)鏜錐孔、車(chē)端面弧形或異型密封槽等復(fù)合加工。此外，將U 軸轉(zhuǎn)換為第一幾何軸(X 軸)后，筆者創(chuàng)造性地將SINUMERIK840D 系統(tǒng)中的車(chē)削加工固定循環(huán)應(yīng)用在數(shù)控鏜床上，大大增加了TK6113 等系列數(shù)控鏜床的加工范圍。
 以車(chē)削錐管螺紋為例：
N5 M61 M62 M63；
N10 M65；
N15 GEOAX()；
N20 G54 G90 G0 U0 Z100；
N25 X0 Y0；
N30 GEOAX( 1 ，U ，3，Z )；
N35 G0 G18 Z50 X30 ；
N40 G95 S25 M03；
N45 CYCLE97(PIT，MPIT，SPL，F(xiàn)PL，DM1，DM2，APP，ROP，
TDEP，F(xiàn)AL，IANG,NSP,NRC,NID, VARI,NUMT)；
N50 G0 G90 X3O Z100；
N55 M5；
N60 GEOAX()；
N65 M30；
                用此螺紋切削循環(huán)，可加工圓柱體和圓錐體上的外螺紋和內(nèi)螺紋，既可加工單頭螺紋和也多頭螺紋。讀者可依此類推，應(yīng)用其余車(chē)削加工固定循環(huán)。
四、 存在的問(wèn)題
(1) 使用U 軸加工，加工精度受離心力的影響是不可避免的(即便機(jī)床具有平衡配重機(jī)構(gòu))，平旋盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，受刀具重量、長(zhǎng)度、回轉(zhuǎn)速度、切削狀態(tài)等因素影響而成為一個(gè)不確定量。用戶需進(jìn)行試切，根據(jù)試切數(shù)據(jù)，改變進(jìn)刀值以達(dá)到目標(biāo)尺寸。這些經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償值可作為自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，以備以后加工中使用；
(2) 另外，由于離心力的影響，平旋盤(pán)的回轉(zhuǎn)速度被限制在200 轉(zhuǎn)/分鐘以下，對(duì)于需要高速加工的材料來(lái)說(shuō)(例如有色金屬)，表面粗糙度不理想。
綜上所述，此類具備U 軸的臥式加工中心、數(shù)控鏜床無(wú)論在異型件的加工還是提高加工效率、降低加工成本，都具有很大優(yōu)勢(shì)。