五軸加工中心在加工存在側(cè)向軸頸的復(fù)雜零件時(shí)，刀具和零件的過(guò)切干涉和碰撞干涉經(jīng)常發(fā)生，影響了加工質(zhì)量，要充分發(fā)揮五軸數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)，必須設(shè)法解決這一難題。

以往的經(jīng)驗(yàn)是從編程和算法方面進(jìn)行優(yōu)化，該方法路徑復(fù)雜、效率不高、精度較低、普適性較差。而采用角度頭及固定裝置加工類似零件，可以從結(jié)構(gòu)上避免軸頸側(cè)銑加工時(shí)產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，提高夾具的定位精度。

一、工件案例-葉盤加工分析

整體葉盤具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道窄、彎曲幅度大、葉片薄、易變形等特點(diǎn)，但其精度要求高、加工難度大。如圖 1 所示，由于葉盤的軸頸處于零件的中心位置，且葉片尺寸較大，利用五軸加工中心加工軸頸外圓的槽孔等特征結(jié)構(gòu)時(shí)，刀具和葉盤的葉片會(huì)產(chǎn)生碰撞干涉，影響加工質(zhì)量。

圖1 整體葉盤

這種情況下機(jī)械加工中常見(jiàn)的做法是安裝角度頭。角度頭是一種機(jī)床附件，可以讓刀具旋轉(zhuǎn)中心線與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成一定角度，從而滿足徑向加工要求。

并且如果在角度頭與機(jī)床主軸之間提供一個(gè)固定裝置，也能很好的提高定向精度和剛性，解決加工軸頸時(shí)刀具與機(jī)件發(fā)生干涉時(shí)的工藝難題。下面以航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子整體葉盤的軸頸加工為例，介紹該角度頭固定裝置的設(shè)計(jì)理論、使用方法和應(yīng)用效果。

二、側(cè)銑加工中存在的問(wèn)題

以整體葉盤的軸頸特征槽加工為例，其加工軸頸時(shí)的裝夾方式應(yīng)該是大端在下、軸頸在上。因?yàn)槿~盤的軸頸較短，軸頸端離葉片較近，且軸頸的特征槽在側(cè)面，加工時(shí)刀具應(yīng)該從水平方向進(jìn)給。接角度頭后，使用功能滿足了，但仍有加工過(guò)程中振動(dòng)大、不容易控制，加工表面質(zhì)量和加工精度差，且刀桿過(guò)長(zhǎng)容易發(fā)生干涉的問(wèn)題。

圖2 機(jī)床主軸

三、角度頭固定裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

角度頭固定裝置需要根據(jù)機(jī)床的尺寸來(lái)設(shè)計(jì)，不具有通用性。附件總體設(shè)計(jì)可以按照以下步驟進(jìn)行：設(shè)計(jì)理論分析、零件的組成、外形尺寸及性能參數(shù)的確定、強(qiáng)度設(shè)計(jì)和材料的選擇。

本例中選擇米克朗UCP800五軸聯(lián)動(dòng)加工中心作為設(shè)計(jì)依據(jù)，其錐柄規(guī)格為HSK63，搖擺式工作臺(tái)為630mm，夾緊面為600×600mm，承重500kg。設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合主軸直徑、工件尺寸和刀具規(guī)格，選擇機(jī)床所能容納的裝置最大尺寸。

3.1 設(shè)計(jì)理論分析

按照功能要求，需要滿足該裝置分別與機(jī)床主軸機(jī)床角度頭（圖 3）的固定兩部分功能。其中，機(jī)床角度頭上端連接主軸、下端連接刀具。

圖3 機(jī)床角度頭

對(duì)照功能要求，還要考慮材料的穩(wěn)定性、聯(lián)接的精度、安裝的便捷性、固定裝置的重量（考慮機(jī)床的承載能力）、尺寸（為防止固定裝置與零件或者機(jī)床部件發(fā)生干涉，固定裝置尺寸應(yīng)盡量�。�。接下來(lái)以此為依據(jù)完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.2 組件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論分析，該角度頭固定裝置設(shè)計(jì)出固定元件、定位元件、夾緊元件和鎖緊元件四個(gè)部分，分別命名為定位塊、固定環(huán)、鎖緊螺釘、定位螺釘。因?yàn)槊糠N數(shù)控機(jī)床的規(guī)格不同，組件中各零件的尺寸也不盡相同，本例僅作為滿足該機(jī)床功能要求的較佳實(shí)施方案而已。固定環(huán)的內(nèi)槽尺寸根據(jù)機(jī)床主軸尺寸設(shè)計(jì)，外輪廓尺寸無(wú)太大要求。定位塊尺寸的工作面要求較高，兩工作面分別與固定環(huán)和角度頭緊密連接。為了縮短加工周期，螺釘可以選用標(biāo)準(zhǔn)化元件。

圖4 定位塊、固定環(huán)等

3.3 強(qiáng)度設(shè)計(jì)

附件設(shè)計(jì)的質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、廢品率等有著直接的影響，為此，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮其實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。角度頭在夾緊力作用下，應(yīng)確保其定位基面在固定裝置的固定環(huán)工作表面，該功能要求固定環(huán)有一定的抗變形能力，要求固定環(huán)在承受外力時(shí)，有一定的剛性，避免產(chǎn)生不必要的變形和振動(dòng)。

本例中，五軸加工中心比普通機(jī)床的剛性差，待加工零件屬于薄壁件，加工過(guò)程中刀具的扭矩較小，對(duì)固定裝置的強(qiáng)度要求不高。

3.4 材料選用

常用的機(jī)床夾具材料包括 Q235鋼、45鋼、T8鋼、Cr12鋼、HT20等各種鋼質(zhì)、銅質(zhì)材料。根據(jù)機(jī)床主軸的剛性、夾持力大小，本著滿足使用條件的前提下盡量減少成本的原則，選擇碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金42CrMo作為角度頭定位裝置的材料，其硬度為36～42HRC。該材料購(gòu)買方便、熱處理性能較好。

3.5 固定裝置組合圖

如圖5所示的角度頭固定裝置。該裝置中，共4類10個(gè)零件，包括固定塊1個(gè)、固定環(huán)1個(gè)、鎖緊螺釘6個(gè)、定位螺釘2個(gè)。由于定位基準(zhǔn)面與定位塊工作表面接觸面積較小，因此定位塊和固定環(huán)之間的位置精度要求較高。

圖5 固定裝置

四、角度頭固定裝置的使用說(shuō)明

圖6為固定裝置在機(jī)床主軸上的裝夾示意圖。為了限制固定環(huán)與主軸之間的自由度，應(yīng)該用鎖緊螺釘對(duì)主軸進(jìn)行擰緊。為了便于鎖緊，固定環(huán)與主軸之間應(yīng)該添加銅墊片。

圖6

4.1 固定裝置安裝在主軸上

將固定環(huán)固定在機(jī)床的主軸上，預(yù)先移動(dòng)到主軸的上端。用螺釘連接主軸和固定環(huán)，在主軸和螺釘?shù)慕佑|面上各加一個(gè)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(huán)不鎖緊、不下滑為準(zhǔn)。

4.2 角度頭安裝在固定裝置上

將定位塊套在角度頭的定位柱上，將主軸定向到與角度頭刀柄槽對(duì)齊。將角度頭向上靠近主軸，將預(yù)先移動(dòng)到高處的固定環(huán)與固定塊的安裝孔對(duì)齊，將固定環(huán)的螺釘松開，將固定環(huán)從主軸高處向下移動(dòng)一定的距離。將固定環(huán)鎖緊，在此過(guò)程中保持其安裝孔與固定塊的安裝孔對(duì)齊。擰緊角度頭的緊定銷，消除角度頭與定位塊之間的間隙。安裝完成，在角度頭的夾緊裝置上接上刀具即可工作。

4.3 確定工藝設(shè)置參數(shù)

確定加工工序后選擇刀具，并設(shè)置刀具參數(shù)。選擇的編程原點(diǎn)應(yīng)方便編程、測(cè)量和操作，同時(shí)考慮引起的加工誤差較小。將刀具的刀位點(diǎn)放到與編程坐標(biāo)系原點(diǎn)一致的位置。編寫數(shù)控加工程序，修改后處理程序。檢查裝夾、刀具和程序，無(wú)誤后開始加工。

五、應(yīng)用實(shí)例分析

5.1 加工對(duì)象分析

為了測(cè)試該裝置的使用性能，選擇某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子第一級(jí)整體葉盤為例進(jìn)行加工。該葉盤的設(shè)計(jì)重量達(dá) 35.9kg，最大回轉(zhuǎn)直徑約Φ800mm，材料為鈦合金，葉片最大長(zhǎng)度為200mm，單個(gè)葉片的厚度為不均勻的2.5～4mm。該葉盤軸頸Φ20 mm、壁厚3mm，加工難度大。

5.2 加工步驟分析

因?yàn)闄C(jī)床無(wú)法使用RTCP功能，所以必須將零件放在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的中心，夾緊零件。設(shè)定工件坐標(biāo)系，特別注意工件的角向位置，使工件軸向待加工結(jié)構(gòu)與角度頭和刀具安裝方向一致。將固定裝置與機(jī)床主軸連接固定，并將角度頭安裝在固定裝置上，裝夾刀具。

圖7

5.3 加工效果比較

通過(guò)實(shí)踐加工表明，使用本設(shè)計(jì)的固定裝置加工與未使用該裝置加工相比，可使用的刀具長(zhǎng)度明顯縮短，加工過(guò)程中讓刀量減小，更容易控制被加工零件的尺寸精度和表面質(zhì)量。加工效率顯著提高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

五軸加工中心的功能非常強(qiáng)大，因此，設(shè)計(jì)者沒(méi)有預(yù)留更多的機(jī)床附件供企業(yè)選擇。通過(guò)這種能夠連接角度頭和加工零件的附件，擴(kuò)展了五軸加工中心的加工范圍和功能。實(shí)踐證明，采用角度頭固定裝置，增加了刀具剛性，解決了干涉問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)生產(chǎn)有實(shí)用價(jià)值。