討論具備U軸功能的臥式加工中心的應用
時間:2011-07-20 08:54:17 來源:未知
1 前言
在臥式加工中心的發展過程中，普通的X、Y、Z軸配合主軸已經很難滿足現代加工的要求，針對多功能及復合加工的要求、人們又開發了B、W、U軸及各軸聯動以實現復合加工。筆者現僅就打軸加工的應用進行討論。
在液壓氣動、工程機械、石油化工設備、汽車、機車車輛及電力設備等行業中，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，由于其自身結構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連接（有關技術協議需事先與機床制造商討論），另配有連接軸完成驅動。以此實現U軸與Z軸聯動，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動單元的連接與安裝對機床的系統功能及機械結構空間有特殊要求；（2）自身結構較單薄，不適用于強力重切削；（3）對于孔徑差別大的或加工內容有區別的加工，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，所以很不經濟。
2 具備U軸的臥式加工中心
日本新瀉鐵工（NIGATA）開發生產的BFN系列復合臥式加工中心賦予了傳統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量，提高刀具集成化。其主要特點為：
- U軸單元直接安裝于高剛性主軸端部，驅動單元通過主軸內部的齒輪、齒條傳動實現，使得U軸的剛性大大提高；
- U軸行程為50mm，最大鏜孔直徑可達300mm；
- 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；
- 采用獨特U軸冷卻系統，與U軸保持同步回轉，增強刀刃冷卻效果；
- 配有專用編程輔助軟件（SNAP3），簡化、優化編程及程序調試；
- 另有自動探測、補償系統作為選擇功能（機內非換刀式），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。
現舉簡例（見圖）比較BFN復合加工中心與傳統加工中心的加工工藝：
| 傳統加工中心 |
BFN復合加工中心 |
刀具：14把
刀具；4把（另需探測頭1把）
1.?52 粗鏜；
1.?42～?68及端面粗加工；
2.?52 半精鏜；
2.?42～?68精加工；
3.?52 精鏜；
3.?98 精加工；
4.?68 粗鏜；
4.各端面精加工：
5.?68 半精鏜
6.?68 精膛
7.?98 外圓及端面粗、半精加工；
8.?98 外圓精鏜；
9.?42 粗鏜；
1O.?42半精鏜；
11.?42精鏜；
12.?64粗鏜；
13.?64半精鏜；
14.?64精鏜。
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僅此例可見、BFN復合加工中心大大減少刀具數量及輔助時間，體現了其復合加工的特性。
加工例圖
上述諸多特點中，使用U軸加工時程序的編制與調試與使用者關系最為密切，且較一般數控加工程序有區別。NIGATA的專用編程輔助軟件（SNAP3）以宏程序的形式編制，依靠宏程序執行器調用，既提高程序調用速度又釋放用戶宏程序可用空間。其具體功能包括：
- 內徑加工：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；
- 內螺紋加工：G117 M333；
- 外錐螺紋加工：G117 M336；
- 內錐螺紋加工：G117 M335；
- U軸坐標系設定功能；
- 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，編制加工程序將是非常繁瑣的工作。另外，用戶可根據實際經驗，調整一些宏參數來調整切削工步分配及每工步的切削參數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）。NIGATA為此專門設計了G101-U軸位置補償功能。但是，主軸回轉時的離心力，受刀具重量、長度，回轉速度，切削狀態等因素影響而成為一個不定量。筆者根據實際使用經驗認為，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，根據切削數據，改變刀具補償值以達到目標尺寸。這些經驗補償值可作為自己的數據庫，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速度予以強行設置，（當然可以通過修改參數值重新設置，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），加工效果不太理想無油軸承。
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構及軟件支持上還有進一步完善的必要。