具備U軸功能的臥式加工中心的應(yīng)用

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(yīng)用進行討論。

    在液壓氣動、工程機械、石油化工設(shè)備、汽車、機車車輛及電力設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(guān)技術(shù)協(xié)議需事先與機床制造商討論)，另配有連接軸完成驅(qū)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(qū)動單元的連接與安裝對機床的系統(tǒng)功能及機械結(jié)構(gòu)空間有特殊要求； (2)自身結(jié)構(gòu)較單薄，不適用于強力重切削；(3)對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：

1) U軸單元直接安裝于高剛性主軸端部，驅(qū)動單元通過主軸內(nèi)部的齒輪、齒條傳動實現(xiàn)，使得U軸的剛性大大提高；

2) U軸行程為50mm，最大鏜孔直徑可達300mm；

3) 刀柄形式為1/10的短錐、端面雙接觸刀柄，適用于高精度強力重切削；

4) 采用獨特U軸冷卻系統(tǒng)，與U軸保持同步回轉(zhuǎn)，增強刀刃冷卻效果；

5) 配有專用編程輔助軟件(SNAP3)，簡化、優(yōu)化編程及程序調(diào)試；

6) 另有自動探測、補償系統(tǒng)作為選擇功能(機內(nèi)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.Ø52 粗鏜； 1.Ø42～Ø68及端面粗加工；

2.Ø52 半精鏜； 2.Ø42～Ø68精加工；

3.Ø52 精鏜； 3.Ø98 精加工；

4.Ø68 粗鏜； 4.各端面精加工：

5.Ø68 半精鏜

6.Ø68 精膛

7.Ø98 外圓及端面粗、半精加工；

8.Ø98 外圓精鏜；

9.Ø42 粗鏜；

1O.Ø42半精鏜；

11.Ø42精鏜；

12.Ø64粗鏜；

13.Ø64半精鏜；

14.Ø64精鏜。

    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。

    上述諸多特點中，使用U軸加工時程序的編制與調(diào)試與使用者關(guān)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(diào)用，既提高程序調(diào)用速度又釋放用戶宏程序可用空間。其具體功能包括：

內(nèi)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(nèi)螺紋加工：G117 M333；

外錐螺紋加工：G117 M336；

內(nèi)錐螺紋加工：G117 M335；

U軸坐標系設(shè)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(yīng)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?qū)⑹欠浅７爆嵉墓ぷ鳌Ａ硗猓�用戶可根�?jù)實際經(jīng)驗，調(diào)整一些宏參數(shù)來調(diào)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(gòu))。NIGATA為此專門設(shè)計了G101-U軸位置補償功能。但是，主軸回轉(zhuǎn)時的離心力，受刀具重量、長度，回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度予以強行設(shè)置，(當然可以通過修改參數(shù)值重新設(shè)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。

    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(jié)構(gòu)及軟件支持上還有進一步完善的必要。