曾香港，馬有良，皮 勇

(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010) (2.四川省普什寧江機(jī)床有限責(zé)任公司，四川 成都 611830)

五軸加工中心工作臺(tái)平面的平面度是影響加工質(zhì)量的重要因素[1]。目前，五軸加工中心工作臺(tái)的平面大多采用人工刮削方式來(lái)達(dá)到需要的平面精度[2]，加工效率較低，且人工刮削后的工作臺(tái)平面精度易隨溫度變化。雖然有少數(shù)企業(yè)通過(guò)制定加工工藝路線(xiàn)，采用車(chē)、銑、刨完成回轉(zhuǎn)工作臺(tái)平面的機(jī)械加工，但受設(shè)備能力限制，導(dǎo)軌磨裝夾工件寬度不足，無(wú)法進(jìn)行臺(tái)面磨削加工[3]。

為了在工業(yè)制造中高效、高精、批量化地實(shí)現(xiàn)加工中心工作臺(tái)平面的加工，本文利用初銑—平尺法初磨—走刀法精磨的加工方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)設(shè)備條件下的磨削工藝，確定出一種工作臺(tái)平面機(jī)加工綜合工藝方案。并以工作臺(tái)平面的平面度精度為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，利用三點(diǎn)法[4]分別檢測(cè)了銑削、磨削前后的工作臺(tái)平面的平面度誤差，用以驗(yàn)證、分析該改進(jìn)方案對(duì)工作臺(tái)平面度精度提升情況。

1 五軸加工中心加工復(fù)雜曲面案例分析

S試件的S曲面巧妙地將航空零件的加工特征集成在一起，常被用于檢驗(yàn)五軸加工中心的綜合加工精度[5]。五軸加工中心由于軸的安裝位置和選取角度的不同，存在多種類(lèi)型。這里以其中一種進(jìn)行分析，如圖1所示，該五軸加工中心由3個(gè)直線(xiàn)軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成，其中直線(xiàn)軸Z和旋轉(zhuǎn)軸B在工作臺(tái)一側(cè)，直線(xiàn)軸X和Y以及旋轉(zhuǎn)軸A在刀具一側(cè)。加工S曲面時(shí)，五軸進(jìn)行聯(lián)動(dòng)加工。分析圖1可知，當(dāng)工作臺(tái)平面度誤差較大、表面形成輕微凸起時(shí)，由于機(jī)床運(yùn)動(dòng)和加工過(guò)程中的熱力因素，會(huì)使S試件的安裝夾具產(chǎn)生微量變形，導(dǎo)致S試件出現(xiàn)安裝誤差，影響S試件的加工精度[6]。

圖1 加工中心五軸聯(lián)動(dòng)加工S試件

2 平尺法校驗(yàn)加工中心母機(jī)X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度

加工中心在加工不同工件時(shí)，其X軸導(dǎo)軌所需要的直線(xiàn)度精度的要求也不同，同時(shí)受溫度的影響，機(jī)床導(dǎo)軌也會(huì)產(chǎn)生一定的變形[7]。根據(jù)工作臺(tái)平面加工的驗(yàn)收條件可知，加工完成的平面應(yīng)盡量平整或者呈現(xiàn)凹形特征，以便于夾具安裝和工件的加工。因此，為保證五軸加工中心X軸導(dǎo)軌呈現(xiàn)平或者凹的趨勢(shì)，需在對(duì)工作臺(tái)平面加工之前，檢測(cè)X軸導(dǎo)軌的平面線(xiàn)性值并通過(guò)相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償。

光學(xué)平直儀檢測(cè)法對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌的不直度測(cè)量精度較高，但光能損耗大，一般不能進(jìn)行直接測(cè)量；平尺拉表比較法通常用來(lái)檢測(cè)導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)的不直度[8-9]。考慮到工業(yè)制造成本及效率，實(shí)驗(yàn)中采用滿(mǎn)足相對(duì)精度的平尺拉表法檢測(cè)X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度。

本實(shí)驗(yàn)所采用的五軸加工中心X軸導(dǎo)軌長(zhǎng)1 100 mm，工作臺(tái)尺寸為800 mm×800 mm，為方便檢測(cè)，將工作臺(tái)中心設(shè)置在X軸導(dǎo)軌的行程中心。用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量工具——精密平尺對(duì)X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度進(jìn)行檢驗(yàn)(取-950 mm到-150 mm這一范圍)。先在-1 000 mm和-100 mm處用千分表對(duì)精密平尺進(jìn)行兩端校平(校平后千分表在-1 000 mm和-100 mm處示數(shù)為0)，并將X=-1 000 mm處作為參考點(diǎn)，沿X0方向每50 mm檢測(cè)出相對(duì)參考點(diǎn)的千分表示數(shù)，以反映X軸導(dǎo)軌自身在垂直Y方向的波動(dòng)情況，測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 X軸導(dǎo)軌不同位置所測(cè)千分表示數(shù)

當(dāng)千分表示數(shù)為正值時(shí)，代表母機(jī)X軸導(dǎo)軌在該點(diǎn)處沿Y向相對(duì)下降；為負(fù)值時(shí)，則代表沿Y向相對(duì)上升。由此，可繪出X軸導(dǎo)軌自身的變化趨勢(shì)曲線(xiàn)圖，如圖3所示。

圖3 平尺拉表法檢測(cè)X軸導(dǎo)軌自身變化趨勢(shì)

圖3表明沿X軸導(dǎo)軌本身呈現(xiàn)凹凸不規(guī)則的變化趨勢(shì)，這將使加工出來(lái)的工作臺(tái)平面達(dá)不到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所要求的平整或者內(nèi)凹。

為使導(dǎo)軌平整內(nèi)凹，需對(duì)X軸向的每一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行Y方向的補(bǔ)償，當(dāng)X軸導(dǎo)軌某點(diǎn)沿Y向相對(duì)上升時(shí)，應(yīng)對(duì)Y向進(jìn)行負(fù)值補(bǔ)償，反之，就應(yīng)進(jìn)行Y向正值補(bǔ)償。因此，每一點(diǎn)的補(bǔ)償值ΔYn可由式(1)計(jì)算。補(bǔ)償值的計(jì)算是相對(duì)前一測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行的一種相對(duì)換算，對(duì)應(yīng)于編程中的增量編程。

ΔYn=Yn-Yn-1n≥1

(1)

由上述相關(guān)數(shù)據(jù)列出對(duì)應(yīng)補(bǔ)償值，見(jiàn)表1。

表1 平尺拉表法X軸導(dǎo)軌精度補(bǔ)償表

根據(jù)補(bǔ)償表中對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值，在相應(yīng)的工作臺(tái)平面加工程序段中運(yùn)用增量坐標(biāo)(G91)進(jìn)行Y軸方向的位移補(bǔ)償，就可以滿(mǎn)足X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度要求。

3 工作臺(tái)平面銑削

本文從工作臺(tái)毛坯件中隨機(jī)選取一臺(tái)進(jìn)行下述相關(guān)工藝的具體數(shù)據(jù)分析。為使工作臺(tái)面能達(dá)到一定的平面度，需要對(duì)工作臺(tái)平面進(jìn)行銑削加工，并采集和分析銑削前后平面的平面度誤差值。

沿T型槽方向從工作臺(tái)面中心軸至臺(tái)面一端邊緣進(jìn)行平面銑削后，再旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)180°以相同方式銑削另一端，按此方式循環(huán)銑削完整個(gè)表面，能夠保證工作臺(tái)半個(gè)平面內(nèi)的加工方向一致，并且對(duì)稱(chēng)銑削能夠產(chǎn)生相對(duì)內(nèi)應(yīng)力及磨削抗力，避免工作臺(tái)平面發(fā)生變形。

3.1 工作臺(tái)平面銑削前后平面度數(shù)據(jù)采集

工作臺(tái)平面面積較大，為準(zhǔn)確反映平面度的真實(shí)性，需要在多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。用電子水平儀通過(guò)三點(diǎn)法分別采集銑削前后工作臺(tái)平面上均布的60個(gè)位置點(diǎn)的平面度，并將采集數(shù)據(jù)輸入電子水平儀測(cè)量軟件中，分析出銑削前后工作臺(tái)表面的凹凸情況及平面度誤差值，測(cè)量結(jié)果如圖4所示：銑削前工作臺(tái)平面的平面度誤差為45.15 μm；銑削后工作臺(tái)平面度誤差為27.88 μm。

圖4 工作臺(tái)平面銑削前后測(cè)量結(jié)果

3.2 銑削后工作臺(tái)平面度分析

銑削后工作臺(tái)平面的平面度誤差有所降低，但工作臺(tái)平面的平面度誤差仍較大，且從測(cè)量結(jié)果圖可明顯看出，由于銑削過(guò)程中刀具沿T形槽方向來(lái)回走刀，工作臺(tái)平面呈現(xiàn)出一個(gè)方向規(guī)則的內(nèi)凹趨勢(shì)，臺(tái)面內(nèi)凹方向朝向同一側(cè)，導(dǎo)致工作臺(tái)平面凹弧度不均勻。

4 工作臺(tái)平面磨削

銑削分析結(jié)果表明，銑削后臺(tái)面性能仍需改善。由此可知，在銑削加工后還需要對(duì)工作臺(tái)平面進(jìn)行磨削加工。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)分析對(duì)傳統(tǒng)的磨削加工方式進(jìn)行了改進(jìn)，磨削效率和質(zhì)量都得到顯著提高。

4.1 五軸加工中心傳統(tǒng)磨削加工方式

圖5(a)所示是目前應(yīng)用較為廣泛的圓柱形砂輪磨削方式，該磨削方式的刀具主軸平行于工作臺(tái)表面，砂輪圓柱面與工作臺(tái)表面面接觸，砂輪垂直方向均勻受力，磨削充分，磨削阻抗力小。在磨削加工工作臺(tái)時(shí)，砂輪從一側(cè)加工到工作臺(tái)中心并超過(guò)工作臺(tái)中心一段距離，可以得到更好的磨削效果并消除接刀痕，能夠保證工作臺(tái)中心附近的加工準(zhǔn)確性。但將該方式應(yīng)用于五軸加工中心對(duì)工作臺(tái)平面進(jìn)行磨削加工時(shí)，根據(jù)圖5(b)計(jì)算可知，由于受到主軸頭半徑大小的限制，當(dāng)砂輪中心超過(guò)工作臺(tái)中心80 mm時(shí)，工作臺(tái)就將與主軸頭在點(diǎn)A處接觸碰撞，砂輪就不能繼續(xù)向前移動(dòng)，使工作臺(tái)不能充分地過(guò)中心磨削。

圖5 改進(jìn)前工作臺(tái)磨削加工示意圖及各部件尺寸

4.2 五軸加工中心磨削加工改進(jìn)分析

針對(duì)上述磨削加工方式所存在的問(wèn)題，暫提出2種改進(jìn)方案：

1)增大砂輪直徑(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)砂輪直徑D=300 mm)，即可使主軸頭沿Y方向上升，主軸頭與工作臺(tái)的接觸點(diǎn)即可向右下方向移動(dòng)，增加工作臺(tái)與主軸頭之間的相對(duì)距離，砂輪可繼續(xù)向前移動(dòng)并超過(guò)工作臺(tái)中心。

2)砂輪直徑大小不改變，直接使主軸頭沿Y方向上升一定的距離，通過(guò)將刀具主軸繞A軸旋轉(zhuǎn)一定角度，并將圓柱形砂輪改為一定錐度的圓錐(錐度與主軸偏轉(zhuǎn)角度相等，使傾斜后的砂輪仍能與工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)面接觸)，仍可使砂輪向前運(yùn)動(dòng)一段距離并超過(guò)工作臺(tái)中心。

方案1)增大砂輪直徑不僅增加了砂輪的制造成本，而且由于直徑增大，使得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和線(xiàn)速度也相應(yīng)增大，導(dǎo)致磨削過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)和不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，筆者擬重點(diǎn)分析方案2)并找出刀具主軸的最佳旋轉(zhuǎn)角度。

如圖6所示，使刀具主軸繞A軸的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)一定角度，使砂輪能夠在原基礎(chǔ)上再向前移動(dòng)一段距離(本次實(shí)驗(yàn)只需要多移動(dòng)50 mm就能使工作臺(tái)中心實(shí)現(xiàn)充分磨削，因此暫取50 mm進(jìn)行分析)，此時(shí)工作臺(tái)與主軸頭在點(diǎn)B相接觸。

圖6 改進(jìn)后工作臺(tái)磨削加工示意圖及相關(guān)尺寸

4.3 分析改進(jìn)后刀具主軸旋轉(zhuǎn)角度

由圖5(b)可知，點(diǎn)A是未改進(jìn)時(shí)工作臺(tái)與主軸頭接觸點(diǎn)，因?yàn)樯拜喼睆綖?00 mm，則點(diǎn)A到水平軸的距離LAC為：

主軸頭半徑為280 mm，即點(diǎn)A到主軸頭中心O的距離LOA為280 mm，則水平距離LOC(即點(diǎn)C到點(diǎn)O的距離)為:

由圖6(b)可知，點(diǎn)B是改進(jìn)后砂輪前進(jìn)50 mm時(shí)工作臺(tái)與主軸頭接觸點(diǎn)。砂輪向前移動(dòng)了50 mm，可轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)向后移動(dòng)了50 mm，則水平距離LOD(即點(diǎn)O到點(diǎn)D的距離)為：

LOD=LOC-50=236-50=186(mm)

點(diǎn)B到水平軸的距離LBD為：

圖7所示為等效分析簡(jiǎn)圖，改進(jìn)前砂輪中心點(diǎn)為點(diǎn)E，改進(jìn)后砂輪中心點(diǎn)為點(diǎn)F。由于砂輪半徑較小，因此刀具主軸旋轉(zhuǎn)角度一般不宜超過(guò)10°。可將改進(jìn)后的砂輪軸線(xiàn)按照仍平行于水平方向進(jìn)行近似計(jì)算，即此時(shí)改進(jìn)后砂輪中心點(diǎn)下降的高度近似等效為主軸頭所上升的高度。如此在Y(水平垂直面上)方向有：

h=YEF=YBD-YAC

h=YEF=LBD-LAC=209-150=59(mm)

由此可得刀具主軸偏轉(zhuǎn)角度θ為：

圖7 主軸偏轉(zhuǎn)角度等效分析簡(jiǎn)圖

考慮砂輪加工過(guò)程中的磨損以及上述等效近似計(jì)算所存在的誤差，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定角θ為5.5°時(shí)，其磨削加工效率最高。

4.4 磨削加工及平面度檢測(cè)

4.4.1平尺法初步磨削

采用砂輪修正及A軸偏擺改進(jìn)后的磨削方案，對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行初步磨削，磨削過(guò)程中，以0°—180°—90°—180°順序依次旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，以使工作臺(tái)平面磨削均勻。

工作臺(tái)平面磨削后，已能夠達(dá)到相關(guān)的表面平面度工藝要求，但考慮到銑削及磨削加工過(guò)程中都是通過(guò)精密平尺測(cè)量出X軸導(dǎo)軌的線(xiàn)性誤差，該測(cè)量方法的測(cè)量精度可能因精密平尺本身的系統(tǒng)誤差和讀數(shù)誤差等因素導(dǎo)致所測(cè)得X軸導(dǎo)軌的線(xiàn)性值出現(xiàn)偏離，引起加工誤差。

4.4.2走刀法精密磨削

為了消除平尺法補(bǔ)償X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度帶來(lái)的誤差，采用另一種走刀法磨削方式進(jìn)行修補(bǔ)。

該走刀法磨削方式，是先采用刀具沿X軸方向?qū)Τ跄ズ蟮墓ぷ髋_(tái)平面水平磨削走刀一次，再用電子水平儀每隔200 mm測(cè)量工作臺(tái)表面走刀處的示數(shù)。每點(diǎn)示數(shù)可以反映工作臺(tái)表面在Y方向的波動(dòng)情況，該波動(dòng)情況也正好反映出X軸導(dǎo)軌在Y方向的直線(xiàn)度波動(dòng)情況。根據(jù)電子水平儀相關(guān)參數(shù)，電子水平儀示數(shù)中，示數(shù)6 μm/m 代表Y方向相對(duì)距離相差1 μm，則由測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算出相關(guān)補(bǔ)償值，見(jiàn)表2，隨后采用增量坐標(biāo)編程對(duì)X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度再一次進(jìn)行位移補(bǔ)償。

表2 走刀法X軸導(dǎo)軌不同位置所測(cè)示數(shù)及補(bǔ)償值

最后將走刀法補(bǔ)償加工程序編入對(duì)應(yīng)的磨削加工程序段中，進(jìn)一步修補(bǔ)X軸導(dǎo)軌直線(xiàn)度，以彌補(bǔ)精密平尺測(cè)量補(bǔ)償過(guò)程中存在的誤差，使X軸導(dǎo)軌的直線(xiàn)度精度更高，并以相同方式再精密磨削加工一次。

4.4.3磨削后工作臺(tái)平面度檢測(cè)

用電子水平儀采集和測(cè)量精密磨削后工作臺(tái)平面的平面度誤差，所得測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

圖8 走刀法精密磨削后工作臺(tái)平面測(cè)量結(jié)果

精密磨削后工作臺(tái)平面度誤差為6.99 μm，與未進(jìn)行機(jī)加工和磨削加工前相比，平面度誤差分別降低了約40 μm和20 μm。整個(gè)工作臺(tái)表面呈現(xiàn)出四周凸、中間凹形狀，具有極高的平面精度。

5 工藝方案驗(yàn)證

驗(yàn)證方案：對(duì)加工中心工作臺(tái)平面的加工采用以自身導(dǎo)軌精度為基準(zhǔn)的加工方法，在同一臺(tái)機(jī)床上對(duì)相應(yīng)的工作臺(tái)面進(jìn)行加工(尤其是FMS柔性線(xiàn)多托盤(pán)的加工)，以減少工作臺(tái)的安裝誤差，提高加工精度[10-11]。

綜合上述的工藝分析，繪制工藝流程如圖9所示。

圖9 加工工藝流程圖

采用該工藝方案，利用隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行了10臺(tái)毛坯工作臺(tái)平面的加工實(shí)驗(yàn)，并記錄了加工完后的各工作臺(tái)平面度誤差，結(jié)果如圖10所示。

圖10 10臺(tái)數(shù)據(jù)平面度驗(yàn)證

圖10結(jié)果表明加工后的10臺(tái)工作臺(tái)平面的平面度誤差都在8 μm 以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了該加工工藝方案的高精密性以及其具有的高工藝精度和工藝穩(wěn)定性，適用于五軸加工中心工作臺(tái)平面的批量加工。

6 結(jié)論

1)采用精密平尺對(duì)機(jī)床的導(dǎo)軌精度進(jìn)行檢測(cè)并通過(guò)程序補(bǔ)償使導(dǎo)軌在加工過(guò)程中保持水平運(yùn)行，可避免因機(jī)床本身存在的誤差導(dǎo)致工作臺(tái)平面精度受損，保證后續(xù)加工的穩(wěn)定性。

2)改進(jìn)傳統(tǒng)磨削方式，將刀具主軸繞A軸旋轉(zhuǎn)5.5°對(duì)工作臺(tái)平面進(jìn)行磨削加工，避免了工作臺(tái)與主軸頭發(fā)生接觸碰撞。這種改進(jìn)后的磨削方案，可根據(jù)工作臺(tái)面的不同加工精度要求，進(jìn)行砂輪行程的相應(yīng)調(diào)整，使磨削加工過(guò)程更為靈活便捷。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該加工工藝方案加工的工作臺(tái)平面精度都相對(duì)較高，能夠?yàn)楫?dāng)前多數(shù)五軸加工中心的工作臺(tái)平面加工提供一定的參考。