基于ESPRIT的双通道双主轴车铣复合加工中心的加工技术分析

2018-02-18范利娟

机电信息 2018年3期

曹振范利娟

（南京模拟技术研究所，江苏南京210016）

0 引言

在现代工业化背景下，随着计算机辅助设计软件的迅猛发展，零件设计的形状特性越来越复杂化、多样化。具备铣削、车削和钻孔功能的车铣复合机床得到了快速发展，其具备传统加工设备所不具备的加工能力，能实现复杂零件的加工和经济性要求。采用车铣复合加工技术对零件进行加工，可以实现一次装夹完成全部或大部分加工工序，从而大大缩短了产品制造工艺链，避免了由于定位基准多次转化而导致的误差积累，提高了产品的加工精度。

1 EMCO HT65 PowerMill九轴五联动非正交车铣复合加工中心运动学结构分析

本文以奥地利EMCO Hyperturn 65 PowerMill九轴五联动非正交车铣复合加工中心作为应用对象。

要合理应用好机床，选择适合机床加工的零件，发挥机床的最大效率，必须熟练掌握机床的运动结构及操作系统。EMCO HT65 PowerMill为双主轴双刀塔车铣复合加工中心，机床整体采用对列双主轴的布局形式，具有相对排列的两个主轴以及带B轴功能的上刀塔和带有动力系统的下刀塔，是具备两套刀架系统的双通道复合加工中心。上部刀具系统配备了电机驱动的铣削主轴，在溜板系统中集成了Y轴和B轴，B轴主轴采用HSK63刀柄自动装夹系统，铣削主轴最高转速达12 000 r/min，B轴为无级摆动，转角范围为-20°～200°。上刀塔配备了20个工位的自动换刀刀具管理系统，可实现复杂零件的五轴联动加工；下刀塔配备了12个工位的标准VDI30刀塔；下刀塔与上刀塔为非正交模式。为适应九轴的控制功能，机床采用西门子Sinumerik 840Dsl数控控制系统。机床特有的双通道控制系统可实现双主轴、双刀架五轴联动加工，能够完成对一些形状复杂精密零件的车削、钻削、铣削甚至磨削复合加工，同时可以控制两套主轴及上下刀架串行或并行顺序的加工。主副轴具有分度插补的C轴控制功能，并且左右主轴具有回转同步（转速同步）功能，可实现不停机情况下零件左右主轴对接传递，实现一次装夹全方位加工的车铣复合加工。

2 ESPRIT车铣复合CAM专用软件

车铣复合加工中心在数控加工领域有着突出的应用优势，能带来巨大的经济效益，但机床控制系统的复杂程度很高，也使加工的程序设计更加困难和复杂。因此对于车铣复合加工来说，选择合适的CAM系统是成功应用机床的关键因素，也是获得高效生产率的决定性因素。现有数控编程系统均是针对单通道机床的编程，无法满足复杂机床对多工艺多通道的数控编程需求。车铣复合加工技术也完全不同于普通意义上的车削与铣削功能的简单叠加，而是需要对多工艺之间的加工策略进行衔接，对上下刀塔双通道之间的加工运动进行协调，并进行串行与并行加工顺序的安排。经过市场调研，ESPRIT是由美国DP Technology公司推出的一款针对高端车铣复合数控机床应用的CAM软件，并与奥地利EMCO机床厂家进行深度的VIP合作。它能够在同一操作界面进行3～5轴铣削、车削、车铣复合的编程，ESPRIT的全功能包括2～5轴铣削、2～22轴车削、2～5轴线切割、多任务车铣复合加工以及带B轴的机床编程，基于其丰富的加工类型和灵活的操作界面，选用ESPRIT系统能充分发挥机床的功能。

3 零件工艺分析

熟悉和掌握了EMCO HT65 PowerMill车铣复合加工中心，选择某型号涡喷发动机的轴向扩压器作为应用加工对象。轴向扩压器是发动机的关键部件之一，用以回收从叶轮出来的气体动能使之转换为压能，它的叶片特征和车削旋转类特征的加工精度直接影响发动机压气机的性能优劣，属于难加工复杂类零件。

3.1 轴向扩压器加工内容

某涡喷发动机中的轴向扩压器，为批量生产。工件材料为ZL114A，毛坯为铸件，零件直径281 mm，高度92.4 mm，加工内容如下：（1）轴向扩压器正面：多个平面、斜面组成的成型面及内孔和止口槽、3×φ3孔。（2）轴向扩压器反面：多个平面、圆弧斜面槽及φ80、φ75、内径φ68孔、2×φ10深18 mm孔、2×φ8深72 mm孔、2×R6深7 mm槽、6×M10×1.5-4H螺纹。（3）轴向扩压器圆周：55片均布的叶片（间隔度数为6.545°）、叶片上2×φ100+0.021深24 mm孔、2×φ6深98 mm孔。

3.2 加工工艺方案

现对常规加工工艺和采用车铣复合加工中心的工艺分析对比如下：

3.2.1 一般数控设备加工工艺分析

此扩压器此前采用一般数控设备进行加工，需要设备较多，且工序复杂。具体如下：需要两台数控车床车削正反两面的车削特征成型，一台五轴数控加工中心加工圆周上的叶片及叶片上的2×φ10、2×φ6孔成型，两台三轴数控加工中心加工正反两面侧的孔特征、槽特征成型，而且需制作每道工序的配套工装，导致整个产品生产工艺链很长，影响批量生产效率，且装夹转换次数多，产品的形位公差和尺寸精度得不到有效保证。

3.2.2 采用EMCO HT65 PowerMill车铣复合加工中心加工工艺分析

第一步，用EMCO HT65 PowerMill车铣复合加工中心的右侧副主轴液压卡爪夹持轴向扩压器反面φ108外圆处，用机床第2通道下刀塔车削轴向扩压器正面内外轮廓特征成型，并利用下刀塔动力系统把正面3×φ3孔一次装夹加工完成。

第二步，制作芯棒，轴向扩压器与芯棒并紧，EMCO HT65 PowerMill车铣复合加工中心左侧主轴液压卡爪夹持芯棒，用机床的第2通道下刀塔把轴向扩压器反面的内外轮廓特征全部车削成型，利用机床的第1通道上刀塔铣削主轴进行铣削、钻孔、攻丝等操作，一次装夹把轴向扩压器圆周上的叶片和叶片上的孔及反面端面上的所有孔特征、槽特征完全铣削一次加工到位。

4 用ESPRIT车铣复合CAM专用软件设计加工程序

数控编程技术是数控加工准备阶段的重要内容之一，是直接影响加工零件精度与加工效率的重要因素，软件应用是数控加工技术中至关重要的一步。

第一步，创建零件三维图、毛坯图、工装夹具图，并设置好机床装夹参数。第二步，建立车削加工坐标系。第三步，建立车削加工特征、型腔加工特征、自由曲面加工特征、孔特征。第四步，建立加工所需要的刀具，根据所加工部位设置相应的刀具参数，并安装在相应刀塔的刀位上。第五步，根据零件加工内容选择合适的加工策略设计加工路径，并设置合理的加工参数、五轴联动等高粗加工叶片刀路、叶片五轴swarf侧刃精加工刀路。第六步，根据加工顺序，规划设计上下刀塔第1通道、第2通道的加工顺序的同步协调和串并行处理。第七步，调用机床，设置仿真切削参数，对设计的刀路进行仿真检验。第八步，选用相应机床的后处理输出加工程序。