大型发电机定子线圈模具的数控加工技术

2013-12-10李树伟

上海大中型电机 2013年2期

关键词：刀路刀轴抗力

李树伟

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

0 引言

早期采用靠模热弯压手工操作制作的线圈模具，质量不稳定、安全性差。大型发电机定子线圈模具可以很好控制线圈端部的质量，提高机组的质量和安全性。为了提高大型机组线圈模具的加工精度，公司开始试验数控加工定子线圈模具。［1-3］

1 定子线圈模具的结构

定子线圈模具分4组，每组2件，共8件。线圈模具的理论模型是分开的模具形式，如图1所示。主要加工部位是“L”形的部分，包括顶部、立面、平面、底部立面和底部平面5部分。其中立面和平面部分较高，在110mm以上，给加工带来了困难。模具各个部分之间的连接没有过渡，而是直接拼接完成，存在很多的拐角位置。立面和平面之间是空间垂直的关系，出现了直角部分加工。模压部分在底座上，额外增加了两个加工区域。

2 数控加工工艺

根据线圈模具的结构特点，普通机床无法完成加工任务，只能采用五轴联动数控机床进行加工。

图1 线圈模具的理论模型

五轴联动数控机床是先进的数控设备，可以实现复杂曲面加工，实现普通机床无法加工的特殊工件。但是，五轴联动数控机床的加工也有很大的限制，并不是所有工件都可以采用数控机床进行加工。线圈模具的结构就给五轴联动数控加工带来了极大的困难。首先是立面高度达到了110mm以上，五轴联动加工刀具侧面切削刃的抗力很大，而立面高度大，刀具长度必须超过立面高度，造成刀具超长。在精加工时，刀具在三个方面同时受力，切削抗力巨大，很容易将刀具折断。经过实践测试，数控工艺很难实现数控加工。

五轴固定刀轴加工是刀轴固定在空间的角度，在加工运行过程中，刀轴保持固定不变，这种加工方式的优点是刀具角度固定，加工立面时可以不用超长的刀具，刀具的强度好。分区域加工，切削抗力小，数控工艺上可以实现。

2.1 五轴联动数控加工

这种方式的最大优点就是加工的效率高、编程容易，可以实现加工的直角区域，但加工的表面质量不好，对数控机床的强度要求较高。这是试验的第一种方式，在五轴联动电主轴数控龙门铣床上进行，试验件2件。由于是五轴联动方式，刀轴控制与加工曲面垂直，这样在模具的各个区域处有拐角，刀轴角度会发生突变，切削抗力很大。图2为五轴联动数控加工示意图，用数控编程进行了模拟仿真。发现这个问题要求数控机床的强度很大才行，不适合电主轴的五轴联动机床。通过实践加工，发现切削的抗力确实较大，经常发生刀具折断或机床报警的问题。为了能够继续加工，只能降低切削量和进给速度，这样直接降低了加工的效率，造成生产周期延长。试验了2件，生产周期长达1个月，生产效率太低，只有更好的数控机床才能提高生产效率。后来调整到机械传动的五轴联动数控机床上才顺利完成加工任务。

图2 五轴联动数控加工示意图

2.2 五轴固定刀轴数控加工

这种方式的刀具强度较好，不需要超长的刀具，能自动完成加工而不需要操作者手工调整，加工余量控制准确，可以实现高速切削，生产效率高，对五轴机床的强度没有特殊要求。但是，数控编程加工工艺复杂，程序量大，编程、调试和修改困难。

根据线圈模具的结构特点，将模具分成6个区域，分别是：上部，侧面1区到5区。图3为五轴固定力轴数控加工示意图。这样拆分是依据曲率的变化大小来改变。采用区域铣削的方式，逐个完成加工。对于直角的区域，必须先进行粗加工，将拐角的材料余量去除，否则就会出现三个方向同时切削的问题，造成切削抗力增大。

图3 五轴固定刀轴数控加工示意图

高速切削（HSM或HSC）是20世纪90年代迅速推广到实际应用的先进加工技术，通常指高主轴转速和高进给速度下的铣削。国际上在航空航天制造业、模具加工业、精密零件加工行业得到广泛的应用，可以提高生产率。铣削速度和进给速度的提高，还可提高材料的去除率，对复杂的型面加工可以直接达到零件表面质量的要求，缩短手工打磨工序和工艺路线，进而大大提高加工的生产率［1］。高速铣削的切削力小，有较高的稳定性，可以高质量地加工出薄壁的零件和陡壁区域。严格来说，线圈的模具是模具类的一种，采用高速加工方式是非常合理，也是提高加工效率和质量的一种有效手段。

由于高速切削的特殊性和控制的复杂性，在高速切削的条件下，传统的NC程序已经不能适应要求。因此，必须认真考虑加工过程中的每一个细节，深入研究高速切削状态下的数控编程。高速切削中的NC编程不仅仅局限于切削速度、切削深度和进给量的不同数值，编程时必须改变加工策略，以创建有效、精确、安全的刀路，从而得到预期的表面质量［2］。在精加工时要求保持恒定的切削载荷，首先保持金属去除量的恒定，其次要平滑地切入工件，让刀具沿着一定坡度切入工件而不是直接插入［3］。经过了开粗和半精加工的操作，材料余量均匀，客观上保证去除量的均匀。精加工编程时，还要保证刀路轨迹的平滑性。刀路轨迹的平滑性是保证切削负载恒定的重要条件。在尖角处要有平滑的刀路轨迹，消除机床的运动急速换向，保证切削稳定。设定进入和跨越是光顺方式，调整编程加工参数实现平滑的刀路，完成高速切削加工。

2.3 模拟仿真

五轴数控机床一般都是重点设备，运动较复杂，要避免出现意外的碰撞。数控编程完成后，要进行模拟仿真，检验程序的正确性。这对于高速切削尤为重要。机床运动和旋转部件都处于高速状态，一旦发生碰撞，造成机床的损坏。这里采用了机床部件和显示三维去除材料的模拟仿真，可以真实地反应线圈模具加工的状态，有效地避免碰撞和意外的各种情况，可以保证程序的可执行性和安全性，模拟仿真检查如图4所示。对于高速切削而言，机床模拟仿真是必不可少的步骤，也是评价加工程序的重要依据。