车铣复合集成数字化制造技术*

2013-12-23李铁钢

组合机床与自动化加工技术 2013年2期

李铁钢

(沈阳工程学院机械工程系，沈阳 110136)

0 引言

随着现代制造技术的发展，数控加工技术向精密化、复合化、多轴化发展。多轴车铣复合加工中心的出现提高了数控加工的效率和制造自动化的水平，但同时车铣加工技术给传统的数字化制造工艺与编程提出了新的挑战。

传统数控车床编程通常利用代码手工直接编程实现，多轴车铣复合机床加工零件的编程必须使用CAD/CAM 软件，但MASTERCAM、UG、PRO/E、CATIA 等主流软件编程时主要侧重于基本2 轴和角度轴的处理，经常需要将车削和铣削程序分别编写，最后将机床加工程序手工合成一体，需要人工修改指令，过程繁琐且容易出错，导致零件报废;程序编制时对多主轴的变换、复杂指令的生成、后置程序的验证、真实机床仿真加工等功能较弱，不能充分发挥多轴车铣复合加工的效率［1-2］。

本文提出车铣复合集成数字化制造技术，以典型零件为例，首先提出机床选择、刀具选择、切削参数选择和工序规划等工艺设计内容，而后利用典型的DELCAM 软件实现编程，利用VERICUT 软件构建加工仿真模型并进行了仿真加工，通过实际加工并对CMM 测量结果的分析得到合格的零件，验证了方法的可行性［3-4］。

1 集成数字化制造

1.1 集成数字化制造流程

图1 车铣复合集成数字化制造流程

1.2 机床选择

典型零件如图2 所示，加工部位较多，需要车、铣、钻、镗等多工序加工，为典型的多轴车铣加工零件，选择某8 轴联动车铣复合加工中心加工，数控系统基于Sinumerik 840D 并加以功能扩展。

图2 零件简图

机床为双主轴双刀塔结构，机床左侧为第1 主轴S1，右侧尾部为第2 主轴S2，倾斜滑板上的车铣镗单元为第3 主轴S3，机床左后侧具有运动刀库和换刀机械手，床身下部为旋转刀塔，可实现自动上下料。车铣镗单元的运动轴为X1、Y1、Z1、B，旋转刀塔的运动轴为X2、Z2，可以实现第1 主轴S1 的铣削模式的X1、Y1、Z1、B、C1 的5 轴5 联动，可以实现第2主轴铣削模式的C2 加工，可以实现第1 主轴S1 的X1、Z1、Y1、B1 的车削模式下的B 轴联动车削，可以实现第2 主轴S2 的X2、Z2 单一模式的车削加工，可以实现两把车刀的B 轴联动车削和单一模式的车削加工的同时加工，第2 主轴还具有一个W 坐标，机床的主要技术参数如表1 所示。

表1 机床主要技术参数

1.3 数控编程

分析零件技术条件、结构的工艺性、材料性能并结合机床功能［5］，选择的毛坯为φ70mm 的长棒料，加工完成后自动切断，而后自动运料、自动装夹，体现“工序集中”原则制定的工序初流程为:装夹工件左端面→车右外圆和倒角→钻中心孔→镗内孔→镗内槽→铣外六方→铣六个小平面→钻孔→镗孔→切断→调头装夹工件→车外圆→倒角→镗内孔→卸下工件→检验。

利用DELCAM 智能数控车软件进行数控编程，数控编程前首先进行机床、刀具、材料数据库参数建模。机床参数建模包括设置主轴属性、主副轴关系、刀架刀具安排、刀架运动轴属性和运动尺寸空间、尺寸单位和仿真类型等;刀具参数建模包括刀具加工类型、位置、方向、刀轴、刀片、材料、转塔、刀具ID、刀补参数、刀具特性尺寸参数、刀具零点等;材料数据建模包括加工各种典型零件结构时的常用高速钢和硬质合金等刀具材料的主轴转速和进给率。所有数据库数据可以利用接口数据批量输入/输出，也可以在具体应用时修改输入。

按照工艺规划，通过数据接口模块输入DXF 文件并构建编程所用的几何数据模型。将以上初工序详细规划，为提高自动化程度，利用多刀塔、双主轴加工，具体循环情况为左主轴双刀塔加工第1 件的右外形和内孔→切断第1 件左端面→第1 件装夹于右主轴→主轴和双刀塔加工第2 件的左外形和内孔→副主轴和双刀塔加工第1 件的右外形→卸下第1件→开始下一循环［6］。

建立FRONT、HEX、CO、C120、C240、SUB-TURN等6 个工作面，分别存储加工右外形和内孔的车削、右外形外六方的铣削、锪平面、孔的铣钻、孔的镗孔、左端面和内孔的车铣等DXF 基本数据。

针对每一个工序和工步定义加工操作，选择加工模式中的车削、槽、螺纹、中心、定心钻、钻孔、平倒角、钻孔、铰孔、镗孔、端铣、面铣、槽铣、燕尾、圆角、螺纹铣等操作类型，并设置切削参数、刀具换刀点、刀具补偿等。经过工艺优化的具体工艺安排如图3所示。

图3 工序流程

程序的关键指令如表3 所示，利用VC++6.0 语言编制后置处理器，包括文件的输入模块、输出模块、字符转换和处理模块、运动变换模块、非线性误差计算模块、进给校验模块等［7-8］。

表3 数控程序关键指令

1.4 基于VERICUT 的加工仿真

CGTECH 公司的数控加工仿真软件VERICUT可构造真实的机床、模拟实际切削、检验数控程序的正确性［9］。仿真过程分为虚拟车铣加工机床几何和运动建模、数控系统建模、工艺建模、刀具建模、仿真参数设置和结果分析等步骤。

首先根据图纸和实际测量在UG 中构建机床的运动链三维实体模型，为提高加工仿真速度，对机床中的非仿真相关组件可不建模，将实体模型存为STL文件导入VERICUT 中，按照组件装配关系构建组件树运动学模型。选择840D 系统的ctl 控制系统文件作为虚拟机床控制器模块，利用数控机床的高级控制选项Adv.Option 的变量、子程序、CGTECH 宏和二次开发功能CME 文件对特殊的指令进行定制化构建，主要包括指令学习、格式定义、指令名称添加和指令功能定义4 步骤。而后进行刀具建模，构建刀柄、刀具、刀具的刀位点、刀具的夹持点等。仿真参数设置包括构建仿真项目、设置加工坐标系、机床行程、起刀点等数据［10］。建立的具体仿真模型和仿真结果如图4 所示。

1.5 数字化测量

三坐标测量机广泛地应用在数字化制造中，可以方便地测量工件，可以测量尺寸公差、形状公差和位置公差。利用先进的测量软件3DSI 输入预测量零件的三维实体模型，利用特征测量功能进行测量数据规划，而后进行测量数据仿真检验测量程序的可行性，最后通过对加工的零件实际测量证明加工的零件的尺寸合格，从而证明数控加工工艺设计和数控加工程序编制的正确性。