贵州航天电器股份有限公司    孙雪松 李贺

本文刊登于《金属加工.冷加工》2019年第5期


摘要:本文从美国哈挺车铣复合机床QTT65,以及GibbsCAM编程软件出发,介绍了万向角度动力头的运用,变通刀具路径,通过在水平面上走椭圆轨迹,变通为斜面上加工正规圆弧,使其具有类似于五轴中的B轴功能,扩展了机床的加工范围。


主题词:车铣复合机床 万向角度动力头   GibbsCAM软件编程    椭圆加工    数学函数分析


1、引言

QTT65机床是目前车间比较昂贵的数控机床之一,其集车、铣、钻、镗于一身,具有X、Y、Z、C四个加工使用轴,还具有对接加工零件反面的E轴。在QTT65机床上使用径向(垂直于零件外圆柱面)铣刀,在零件外圆柱面上铣削加工,或者使用轴向(垂直于零件端面)铣刀,在零件端面上铣削加工,如图1所示,这些是机床本身就具有的功能,但是本文对搬角度动力头的进一步使用,通过研究数控系统控制径向或者轴向铣刀的走刀路径,转换成在斜面角度上对工件进行斜面上的零件部位进行铣削加工,扩展其功能,使其具有类似于五轴机床上的B轴功能。

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A)轴向铣削                                 B)径向铣削

图1 标准铣削方式


2、QTT65万向角度动力头铣削技术研究

QTT65的机床本身自带的以上铣削功能能够满足公司的绝大部分圆形零件的生产能力,但是随着公司对新产品开发力度的加大,生产过程中难免会碰到一些难加工零件,甚至机床本身就不具备加工这些难加工零件某些部位的功能,这个时候只能靠做很多工装夹具,用分工序的方法进行慢慢试制,针对公司的小批量多品种的产品格局,这种分工序加大了零件的生产周期,延迟了产品的交付进度,甚至丢掉市场,并且分工序以后零件的很多形状位置公差很难保证到设计要求,分工序过程中产生的废品率也极高,比如YF5的尾罩零件,其结构就比较特殊,如图2所示,该零件结构在以往就必须用分工序的方式慢慢试制加工。

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A)剖面图                                B)立体图

图2 零件结构图

分工序加工为车A、车B、铣三处凸筋及孔、钻孔,在这个过程中需要做三副工装夹具,针对这种加工方式的周期漫长,报废率高、效率底等弊端因素,我们采取了一种新式的加工方法一次车削成形,对万向角度动力头进行运用,并且对转换角度加工方式进行数学建模,通过建模后利用数学函数曲线方程关系将加工角度从常规的0度或者90度转化到其他任意角度上对该零件进行加工。

下面我们就用YF5的该尾罩作为例子,对该技术进行详细介绍。


2.1 对万向角度动力头进行简要概述

万向角度动力头的内部结构由两个锥度齿轮啮合,把传动从普通的0度或者90度转换到空间的任意角度传动,如图3所示,铣头摆动角度在一定角度范围内(正90°~负90°)可以任意调节,

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图3 角度头


2.2  数学建模以及角度转换程序分析

 有了万向角度动力头作为硬件支撑,下一步就要进行角度转换以后的数控系统控制走刀轨迹分析,在专业五轴机床上面,加工角度转换以后,数控系统会自动计算转换以后的角度和水平面之间的一个数学关系,并且把加工平面自动转化到你所转换后的加工平面上,通过数控系统内部计算机为你算出正确的走刀轨迹,但是QTT65机床并没有五轴的功能,所以就算你用上了一个人为万向角度动力头以后,QTT65本身数控系统任然是按照水平面(径向铣削)或者垂直面(轴向铣削)的标准方式来计算走刀轨迹,如图4所示,

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图4 铣刀角度

按照以往的加工思路用径向铣削的方式,要想在YF5的尾罩45度斜面上把φ16的孔铣削成形,那是不可能做到的,因为QTT65系统就只有径向铣削的功能,并不能像五轴机床那样把加工平面从水平面转化到45度斜平面上面,所以要想实现在斜面上铣削,就必须建立水平面和斜平面之间的数学关系,让图4中的两把铣刀搭上关系,然后通过数控系统自带的功能控制径向刀具的刀路轨迹驱动倾斜45度的刀具对零件进行铣削加工。

数学定理之一,用一个平面去切一个圆柱面,只要这个平面不平行于水平面,那么圆柱面上被切去的部分和这个平面相贯的部分必定是一个椭圆,如图5所示,

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图5 相贯剖面


根据上述数学定理,图5中,径向铣刀在水平面上走椭圆轨迹时,45°的倾斜铣刀便会在45°的斜平面上走出一个标准圆的轨迹,转化到数控系统里,便是我们控制径向铣刀走椭圆轨迹,径向铣刀便会驱动45°铣刀在斜平面上走出标准圆轨迹,即可得到我们所想要的结果。


2.2.1 建立数学模型椭圆曲线方程式

椭圆方程关系式为:image.png,A、B分别为椭圆的长短半轴,因为我们需要加工的圆为φ16的圆,所以椭圆的短半轴为8,B=8。

作图如图6所示,

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图6 公式图


图6中DE的长度即是椭圆的长半轴,利用三角函数关系,DE=EF/sinC

在YF5的尾罩零件中EF=8,∠C=45°,代入上述公式,即可求出DE=11.32

所以YF5的尾罩零件椭圆方程式为:(X2 /11.322) +(Y2/82)=1 ;


2.2.2 进行椭圆铣削程序编制

在Fanuc数控系统的数控机床里面只有编制标准圆弧或者直线的G代码程序,并没有编制椭圆的G代码程序,编制椭圆程序目前有两种方式:

2.2.2.1宏程序编程方式

编制宏程序有一定的弊端,因为同行人都知道宏程序在数控加工手工编程中是比较困难的一种编程方法,因为它涉及到了C语言知识、加工工艺知识、实操经验等,因为编制困难,一般也就是止步于数控大赛和理论教学之中;下面就是铣削椭圆(X2 /11.322) +(Y2/82)=1的宏程序;

宏程序中使用的变量如下:

#1——椭圆长半轴(11.32),#2——椭圆短半轴(8),#3——Z向深度值(-17.65),

#4——进给速度,#5——X动点坐标,#6——Y动点坐标,将变量代入椭圆方程式得:#6=#2*SQRT[1-#5*#5/#1/#1]

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2.2.2.2 计算机辅助制造GibbsCAM编程方式

运用GibbsCAM编程软件来编制曲线程序将会使这种编程变得简单轻松,特别是运用自带仿真系统,使代码更加安全可靠,GibbsCAM仿真界面如图7所示。

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图7 GibbsCAM仿真界面


以下是用GibbsCAM软件编制的椭圆程序:

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以上两种编程方式皆可加工出合格的零件,加工时我们选择了第二种CAM编程,将编制好的零件通过DNC传入机床以后,即加工出合格的零件。


2.3 结论

经过研究和实操后,可以用万向角度动力头在任意角度斜平面上进行铣削加工,使QTT65具有类似于五轴中的B轴功能,假设倾斜角度用∠C表示,如果在斜平面上是进行圆弧铣削,圆的半径为R,那么水平面上的椭圆数学方程式为:

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编制椭圆程序,可以用宏程序或者CAM两种方式实现,两种编程方式各有优缺点,根据公司目前实际情况多数使用CAM编制为主。

 通过运用万向角度动力头和数学函数关系转换平面加工,扩展了QTT65机床的功能,使其具有了类似于五轴中的B轴功能,具有了加工不规则角度斜面上的零件特征部位,扩大了该机床的加工范围,为公司新品研制中的难加工零件提供了一个更好的选择,避免了因为分工序导致的零件报废率高、形状位置公差无法保证等弊端因素,同时还缩短了加工周期,提高了零件的加工效率60%以上。