基于立卧转换数控技术的复杂接头类零件的高效加工工艺研究

曹文军 杜成立 高 涛

(成都飞机工业(集团)有限责任公司数控加工厂，四川成都 610091)

接头类零件一般尺寸不大，带有减轻槽，结构较为复杂。长期以来，国内航空制造领域对于此类零件的加工多单纯使用卧式或立式数控机床，存在装夹复杂、人工干预多、工艺状态不稳定、加工周期长等工艺技术难点，造成了此类零件的加工成本高、质量不稳定，亟需一种高效的加工工艺解决这一问题。

立卧转换数控机床是近年来数控行业发展较快的一种高效应用机床。其应用特点是通过机床的立卧转换，能在同一工位实现对工件的立式和卧式两种截然不同的加工方式，实现了从三轴到五轴联动的钻、扩、铰、镗、铣等复合加工方式，并能实现复杂的五面体多轴联动加工，使工件加工精度、加工效率、工件质量均得到大幅提升。本文采用五坐标立卧转换机床成功解决了复杂接头类零件数控加工的难题，通过改进加工工艺能够很好地实现接头类零件的加工，同时降低加工成本，提高生产效率，保证产品质量。

1 复杂接头零件结构及加工特点

1.1 装配配合面多，加工精度要求高

航空结构件中接头类零件一般都是重要连接件，具有与多个零件协调装配的特点，这些装配面制造精度要求非常高，公差带多在0.2 mm以内，特别是具有交点孔的接头零件，对于孔位、孔径及装配协调尺寸要求更高，这些对加工机床的精度要求比较显著。

1.2 复杂结构面多

作为连接件，接头类零件不同于一般结构件，在设计上常伴有5面或6面都具有复杂结构面的特点，对于工艺路线的安排要求非常高。且由于其加工面多，在单纯使用卧式或立式数控机床进行加工的情况下常常需要对工件毛坯进行多次装夹，对于工件的定位和找正要求高，操作中存在着较大的风险，产品加工受人为因素影响较大，不利于保证工件质量和提高生产的效率。

1.3 具有横向尺寸小、纵向尺寸大的深槽腔

横纵比小的深槽腔是比较典型的接头零件结构，数控加工中需要选用长径比大的刀具，加工部分零件槽腔所需刀具的长径比已经达到10:1，因此要求所使用的机床具有比较大的输出功率和扭矩。如图1所示为典型接头类零件。

基于接头类零件的这些特点，在加工时就需要制定合理的工艺方案，如机床的选择、工艺路线的制定、毛坯的装夹方式、数控程序的设计等，要求在合理利用机床性能的基础上达到使装夹毛坯可靠稳定、找正迅速精准、多工位加工复合化，最终减少占用机床的辅助时间，真正实现对此类零件的高效加工。

2 运用立卧转换实现高效加工

2.1 立卧转换加工设备结构特点

立卧转换机床多为五轴联动机床，典型的立卧转换机床坐标轴除包含X、Y、Z三个线性移动轴外，还包含一个摆动头和一个旋转工作台。摆动头的摆动范围较大，摆动行程(角度)范围一般在120°～180°之间，可实现立卧加工方式的转换。在卧式加工时其主轴轴线为水平方向，立式加工时其主轴轴线为铅直方向。旋转工作台可绕某一坐标轴做连续的回转运动。摆动头与旋转工作台的配合使用即可实现五轴联动加工，这对复杂多面体的复合加工应用非常有效。立卧转换数控机床这种结构上的特殊性，决定了该型机床具备了很强的加工能力和铣削功能。

2.2 立卧转换加工方案

按照传统加工工艺，复杂接头类零件可采用三坐标、四坐标或立式五坐标机床结合完成工件数控加工。一般情况下，工件加工过程中需要多次翻面并改变装夹方式，由此带来的找正及装夹定位的累积误差常常影响到工件的加工合格率，并且繁多的工序安排使工件周转时间变得冗长，不能满足后续工序进度要求。

根据立卧转换数控设备的结构特点，可以对图1中的接头工件的加工方案制定如下:

(1)工艺路线安排

根据立卧转换设备A摆角运动范围，结合转盘，经分析此工件采用一面两孔定位、除底面外其余5面可以安排在一次装夹下完成所有数控机加内容，这样工件主体加工可以在两道工序内完成，特别是有高精度要求的交点孔可以一次加工完成，对于提高产品质量非常有益。具体工艺路线安排如图2所示。

(2)装夹定位

为了发挥立卧转换设备的结构优势，设计相应工装夹具，应该将工件垫高，在保证机床运行安全的同时，增大工件加工范围。工件采用两孔一面的方式装夹定位，并在工件中心预锪孔，使用内六方螺栓辅助压紧工件。这样，仅需要一套工装夹具就可以完成该工件的所有数控工序加工。

(3)程序编制

由于工件需要进行多面加工，在非切削状态下B摆角或是A摆角将大范围联动转换，此时机床摆角变换时主轴不是围绕在一个点上变换，而是X轴和转盘联动(B摆角变换)、Z轴和转盘联动(A摆角变换)多个轴同时联动进行，这样就造成机床实际运动轨迹非常复杂。为了提高加工过程中的机床运行安全性，在编制程序时必须注意:预先设置刀具摆角变换点，以避免摆角时发生碰撞。如图3所示，需要进行反面加工时(B=180°位置)，必须预先设置1～6点。具体走刀路径为:刀具按定角从点1→点2→B角旋转90°→点3→B角旋转90°→点4→点5，开始此面加工。

在进行此类工件编程时，还必须注意:在每条程序段后都应编制摆角回零轨迹。回零轨迹按上述方式进行逆向编制即可。这样对于规范编程，特别是机床安全运行是非常有益的。

2.3 机床仿真技术的应用

在立卧转换数控机床应用中，程序的正确性、多工位控制的可靠性、与机床的碰撞干涉检查都非常关键，需要进行有效的仿真来进行校对和完善，避免在实际运行过程中出现质量事故和设备事故。对机床进行结构简化并建立机床仿真数学模型，以及定制仿真控制系统，实现对工装、工件、机床、刀具之间的几何仿真，避免了设备事故以及工件质量问题。

3 利用扩展功能实现高效加工

3.1 BLUM刀具长度及碰撞检测技术提高加工过程控制

复杂接头零件其结构特点决定了在数控加工中需要使用比较多的刀具类型才能完成所有部位的加工，所以必须对刀具与程序对应的正确性进行相关检查。为提高刀具检查的自动化程度，应用BLUM技术能够高效解决该问题。BLUM激光刀具测量系统是一套精度极高的光学测量装备，可在加工制造过程中监控加工中心的刀具状况以进行自动刀具测量与设定。该系统通过检测刀具的几何轮廓，自动侦测刀具是否选用错误以及预设刀具参数是否错误，同时检测刀具是否损坏或磨损。如此将可以避免因刀具问题造成的工件损伤或设备事故。

3.2 合理利用探头提高生产效率

目前数控机加行业多采用杠杆表或观察出屑量找正加工原点的方法，对于加工精度要求非常高的航空接头零件，这种找正方法产生的误差是无法满足零件精度要求的，并且对于生产效率也有很大的影响。探头技术的发展提供了有效的解决方案，同时利用探头发展起来的在线测量技术极大地提高了产品质量。

(1)探头找正技术

在数控机床上使用RENNISHAW探头对工件定位基准进行自动测量，可方便工件的安装调整，简化工装夹具，降低费用，大大缩短机床辅助时间，提高生产效率，同时又可改善数控机床性能，延长机床的精度保持时间。

(2)在线测量技术

利用Siemens控制系统的固有功能，在此基础上进行二次开发，可实现工件的在线检测，节约了大量的工件多次拆卸、装夹时间，并可很好地保证工序之间的工作状态一致性。通过在线测量技术对工件进行检测，工件精度更容易保证，辅助加工时间进一步缩短。

(3)加工原点动态偏移技术

在探头获得找正数据后，必须对程序原点进行动态偏移，尤其是针对多个工件具有多工位多个原点的情况。否则机床运动动作将不会按照正确的运动方式进行，机床的灵活性和适用性将大大降低，机床应用范围必将受到影响。

3.3 多工位智能控制技术实现无人工干预批量生产

拥有典型的FMC应用单元的机床，可增加多个可交换平台之间的工作流畅性、原点数据切换有效性、程序调用的正确性、刀具的可靠性、系统的容错性等等都需要一个智能控制技术进行支撑，为此需要对该技术进行深入研究，开发系统控制主程序，以保证加工过程中工位之间的衔接合理性和可靠性。

4 立卧转换设备加工实际效果

经过对十字主接头零件进行的工艺方案修改，运用立卧转换设备加工后，在诸多方面取得了显著提高。

4.1 产品质量大幅提高

由于采用立卧转换设备，图1零件经过两道数控工序、一次装夹转换完成所有部位加工到位，改变了以前需多次翻面，多台机床转换的情况，极大地减少了因多次找正造成的重复定位误差，特别是在高精度交点孔的加工对比更为明显，优化前需要4道数控工序才能完成，现只需要1道数控工序，对于保证设计精度要求非常有利。工序简化的同时也减少了操作者的人为干预因素，从而简化了生产过程控制，并且产品实物质量得到了提高。

表1 不同加工方案生产效率比较

4.2 生产效率显著改善

现工艺方案仅对数控精加工工序进行了调整(铣基准工序与原工艺方案相同)，原方案需要8道工序才能完成的加工内容，现通过立卧转换设备进行，仅需要2道工序，工件周转周期得到极大的压缩。当进行批量生产时，利用机床的多工位智能控制技术，实现批量生产只需要首次装夹工件的辅助时间，生产效率提高明显，如表1所示。

5 结语

对于复杂接头类零件，通过利用五坐标立卧转换数控设备自动化双平台交换、自动化工件找正、智能化刀具长度及破损检测、探头保护、以及可视化仿真过程等扩展功能，能够实现该工件数控加工过程无人工干预的高效加工。在实际生产中，通过应用立卧转换数控设备，实现了航空结构件中复杂接头类零件加工过程中的无人工干预，较之传统加工工艺而言，大大提高了生产效率，提升了产品质量，满足了航空接头类零件的自动化生产。

［1］周奎，曾祥录，陶华.工作台回转与刀轴摆动五轴联动数控加工编程技术研究［J］.制造技术与机床，2009(12):95 －98.

［2］艾兴.高速切削加工技术［M］.北京:国防工业出版社，2003.