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【摘要】本文通過澳大利亞機(jī)車構(gòu)架牽引座的試制加工過程，探索研究了在SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)和FANUC數(shù)控系統(tǒng)控制下的加工中心在斜面上的螺紋孔的加工方法。
關(guān)鍵詞：加工中心；斜面加工；銑螺紋
作為機(jī)車走形部的重要部件——構(gòu)架牽引座，不僅是車體與轉(zhuǎn)向架聯(lián)接的關(guān)鍵受力件，承載著整個機(jī)車的牽引力，其復(fù)雜的“八字形”結(jié)構(gòu)，較高的尺寸精度要求，更是給加工帶來了極大的困難。
1. 工藝難點
澳大利亞機(jī)車為了保持與歐美機(jī)車接口的通用性，采用了“中心銷加八字形拉桿”的牽引結(jié)構(gòu)，如圖1所示，即在構(gòu)架上有一八字形的牽引座，其加工平面與機(jī)床的Y—Z平面存在10°夾角，構(gòu)架加工時需要完成牽引座10°及350°方向上的兩個平面及平面上的兩組四個螺紋孔M30-6H的加工。但是，牽引座位于構(gòu)架中部，四周均有梁體干涉，其裝配平面及裝配螺紋孔與構(gòu)架的橫向和縱向中心又存在一定的角度，不論是水平放置還是豎直放置，使用常規(guī)的機(jī)械鉆孔攻螺紋方法均不能實現(xiàn)其整體加工。另一方面，如果采用鉗工手動攻螺紋，由于該螺紋孔的孔徑尺寸較大，攻螺紋過程中容易導(dǎo)致螺紋孔軸線偏斜，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。針對澳大利亞機(jī)車構(gòu)架現(xiàn)狀，我們決定采用加工中心，通過直角附件銑頭的旋轉(zhuǎn)配合數(shù)控系統(tǒng)控制用螺紋銑削方式加工該孔。但是，即便如此，該過程還存在以下幾個方面的困難：
?。?）生產(chǎn)現(xiàn)場兩臺數(shù)控龍門加工中心分別為SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)及FANUC數(shù)控系統(tǒng)，此前相關(guān)附件銑頭只在0°、90°、180°、270°方向上進(jìn)行過加工作業(yè)，并沒有在斜面加工上的成功經(jīng)驗，附件銑頭轉(zhuǎn)過一定角度后的加工精度需要進(jìn)一步驗證
圖1
（2）如何實現(xiàn)機(jī)床附件頭與工件坐標(biāo)系的同
步轉(zhuǎn)換。從圖1可以看到，牽引座平面與構(gòu)架橫向中心線成10°夾角。在加工過程中，可以通過機(jī)床商設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)附件頭的轉(zhuǎn)位，使刀具的中心軸線與待加工平面保持垂直；在編程方面，也可以通過L×sinθ，L×（1-cosθ）（L等于附件頭及刀長之和，θ為待加工面與基準(zhǔn)面的夾角）計算出平面及孔加工軌跡的起點及終點的點位坐標(biāo)。但是，這僅限于直線進(jìn)給的坐標(biāo)點補(bǔ)償。如果不能有效的實現(xiàn)機(jī)床附件頭與工件坐標(biāo)系的同步轉(zhuǎn)換，對于非常規(guī)平面的銑圓、螺旋線加工等必須三軸聯(lián)動進(jìn)給的坐標(biāo)補(bǔ)償就很困難，部分系統(tǒng)自帶加工循環(huán)也不能正常工作。
?。?）螺紋孔加工困難，由于牽引座螺紋孔的軸線與機(jī)床坐標(biāo)系存在夾角，而且孔的有效深度較深，達(dá)到60mm，又是水平方向鉆孔加工，加工過程中排屑、冷卻均很困難，螺紋底孔的質(zhì)量難以保證。其次，牽引座螺紋孔直徑較大，對加工中心主軸的要求和影響較大，不適宜用加工中心攻螺紋；螺紋銑削技術(shù)也只在部分資料中有個大概了解，并
未在生產(chǎn)中實際運用過，尤其是斜面上的螺紋銑削技術(shù)的應(yīng)用更為少見。
2. 解決措施
鑒于新機(jī)床旋轉(zhuǎn)非常規(guī)角度后的準(zhǔn)確性不明，銑螺紋也未在正式產(chǎn)品中使用，必須通過工藝試驗驗證其準(zhǔn)確性及有效性。因此我們設(shè)計了如下試驗過程。
?。?）機(jī)床斜面方向加工精度驗證 如圖2所示，在兩種數(shù)控系統(tǒng)控制下，分別用加工中心主銑頭加工出一個0°方向基準(zhǔn)平面，然后按程序用主銑頭以斜線進(jìn)給方式加工一個與基準(zhǔn)面成10°夾角的第二基準(zhǔn)面。然后換直角銑頭，在0°方向鉆一基準(zhǔn)孔，然后轉(zhuǎn)角10°，按計算好的數(shù)值，在第二基準(zhǔn)面的基礎(chǔ)上加工一臺階面，鉆兩個孔。最后上三坐標(biāo)測量機(jī)檢測10°平面及孔與基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)孔的角度、位置、孔距，從而判斷機(jī)床在斜面上的加工精度是否滿足工藝要求。經(jīng)過現(xiàn)場試驗驗證。
?。?）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換驗證 要實現(xiàn)非常規(guī)平面螺紋孔銑削，必須將工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至與待加工面相同的角度，才能將斜面編程轉(zhuǎn)化為平面編程，從而簡化程序編制，減少計算量。
圖 2
在海天加工中心上，由于機(jī)床自帶坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能，因此我們選用SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)循環(huán)CYCLE_TS（“HE3”，1，-561-263.8，260-5，0，10，0，0，0）將工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至10°平面，并且將坐標(biāo)原點平移至兩個螺紋孔的對稱中心，然后進(jìn)行聯(lián)動加工，試驗證明機(jī)床可以正常工作而且刀具及附件頭的長度可以正確補(bǔ)償。對于不能自動實現(xiàn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的SIEMENS 840D數(shù)控系統(tǒng)加工中心，我們選用可編程旋轉(zhuǎn)指令ROT同樣可以實現(xiàn)工件坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)原點的平移。但是由于刀具和附件頭長度參數(shù)會影響運動軌跡的點位正確性，需要對各點位的X及Y向分別進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，其中在進(jìn)給方向的補(bǔ)償值為L'=（L1+L2）（1-cosθ）（L1為刀具長度，L2為附件頭進(jìn)給方向的長度，θ為刀具中心軸線與工件坐標(biāo)系的夾角，θ≤90°），即最終的刀具長度補(bǔ)償L=（L1+L2）+ （L1+L2）×（1-cosθ）；另一方向的長度補(bǔ)償為L"=（θ）×sinθ，補(bǔ)償?shù)姆较蛞暰唧w情況而定。
對于FANUC數(shù)控加工中心，我們首先選用旋轉(zhuǎn)指令G68，但是在試驗中我們發(fā)現(xiàn)在G68指令控制下，系統(tǒng)仍然是在原加工平面加工，并不能將工作平面旋轉(zhuǎn)至非常規(guī)角度加工，刀具長度也不能正常補(bǔ)償，因此不能實現(xiàn)非常規(guī)平面的銑圓或者鉆孔循環(huán)，也就無法進(jìn)一步實現(xiàn)螺紋銑削。換句話說，G68指令只能實現(xiàn)平面旋轉(zhuǎn)而無法進(jìn)行柱面的立體旋轉(zhuǎn)。要完成工作平面的旋轉(zhuǎn)必須實現(xiàn)工件坐標(biāo)系的立體旋轉(zhuǎn)。后來，我們根據(jù)機(jī)床自帶坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能，使用G117/G118指令使工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后，重圖 2 新進(jìn)行三軸聯(lián)動銑圓試驗，證實可行。調(diào)用系統(tǒng)自帶加工循環(huán)程序，也可以正常運行。至此，兩臺數(shù)控龍門加工中心機(jī)床附件頭與工件坐標(biāo)系的同步轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。
3. 螺紋銑削驗證
由于牽引座加工位置特殊，孔徑較大，不論是機(jī)動或是手動攻螺紋難度都很大?？紤]到螺紋銑削不僅擁有優(yōu)異的表面質(zhì)量和尺寸精度，而且加工效率和穩(wěn)定性都較好，加工成本低，對機(jī)床要求不高，所以本次牽引座M30-6H螺紋孔擬考慮用螺紋銑削加工。
根據(jù)實際情況，我們首先選擇用SIEMENS系統(tǒng)自帶銑螺紋標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)CYCLE90及主銑頭進(jìn)行銑削，通過試驗我們發(fā)現(xiàn)，CYCLE90循環(huán)采用的是單齒銑刀加工螺紋，不僅刀尖磨損極快，而且生產(chǎn)效率低下。后以手動編程方式，改用螺紋梳刀，一刀加工多齒。這樣既能充分利用螺紋銑刀的多個刀齒，又能大大提高生產(chǎn)效率。該過程的三個關(guān)鍵點是：①在相鄰兩個加工循環(huán)之間接刀，必須精確計算接刀點的三個方向的坐標(biāo)值，然后在該接刀點平面上以直線或比底孔半徑小的圓弧方式切入，不能以螺旋線方式切入，否則將產(chǎn)生亂牙現(xiàn)象。②每個加工循環(huán)只進(jìn)給一個螺距深度，相鄰兩個加工循環(huán)之間進(jìn)給整數(shù)倍螺距。③必須事先校正刀具半徑至標(biāo)準(zhǔn)值，確?？讖讲怀?。
主銑頭試驗成功后，通過機(jī)床坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)平移，將主銑頭螺紋銑削程序移植到附件頭轉(zhuǎn)位加工中，即可進(jìn)行非常規(guī)平面螺紋孔加工。以海天加工中心SIEMENS840D數(shù)控系統(tǒng)為例，分四個加工循環(huán)銑削牽引座螺紋孔，編制如下加工程序：
N0010 T1
N0020 M6
N0030 G54 G90
N0040 CYCLE800;取消此前坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
N0050 CYCLE_TS（“HE3”，1，-561，-263.8，
260.5，0，010，0，0，0）;坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換10°，并將坐標(biāo)原點
平移至牽引座對稱中心
N0060 D2;調(diào)用刀具補(bǔ)償，無需計算補(bǔ)償參數(shù)，系統(tǒng)自
動計算
;A）第一孔
N0070 G00 Y600
N0080 Z=100
N0090 X=-190/2
N0100 Y=0
N0110 M03 S350 F60
N0120 G00 Z=20
N0130 G01 Z=-63；采用順銑，從孔底向孔口進(jìn)給
??；1）第一刀
N0140 G41 G01 X=-190/2+15 Y=0
N0150 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5 I=-15 J=0;以一
個螺距進(jìn)給一周
N0160 G40 G01 X=-190/2 Y=0
??；2）第二刀
N0170 G01 Z=-63+3.5*5;相鄰兩循環(huán)間進(jìn)給螺距整數(shù)倍
N0180 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0190 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5+3.5 I=-15 J=0
N0200 G40 G01 X=-190/2 Y=0
;3）第三刀
N0210 G01 Z=-63+3.5*5*2
N0220 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0230 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5*2+3.5 I=-15
J=0
N0240 G40 G01 X=-190/2 Y=0
;4）第四刀
N0250 G01 Z=-63+3.5*5*3
N0260 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0270 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5*3+3.5 I=-15
J=0
N0280 G40 G01 X=-190/2 Y=0
N0290 G00 Z=100
N0300 CYCLE800;取消坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
N0310 M30
對于FANUC數(shù)控系統(tǒng)，由于系統(tǒng)本身沒有螺紋銑削加工循環(huán)，只能采用手動編程方式加工，螺紋銑削部分的加工程序與SIEMENS系統(tǒng)類似，不同的僅是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)部分，現(xiàn)將坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)程序編制如下：
N0010 T1
N0020 M6
N0030 G117 C54（選擇待旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系G54）
N0040 G118 B10（工件坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)10°）
……
N2050 G117 C54
N2060 G118 B0（附件頭復(fù)位）
N2070 M30
與SIEMENS系統(tǒng)不同，F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)以后，刀具長度及附件頭長度不能正確補(bǔ)償，為了保證孔的點位坐標(biāo)的正確性，在非常規(guī)平面加工時，應(yīng)先手動將附件頭X、Y向的補(bǔ)償參數(shù)值調(diào)整為“0”（Z向可以正確補(bǔ)償，無需更改），然后在手工編制程序時在進(jìn)給方向上加以補(bǔ)償，即坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的Z=Z坐標(biāo)點±（刀具長度+附件頭長度），符號方向視具體情況而定。
4. 結(jié)語
通過上述3個步驟驗證，完全實現(xiàn)了SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)和FANUC數(shù)控系統(tǒng)加工中心的螺紋銑削，并成功的運用于澳大利亞機(jī)車構(gòu)架牽引座加工。既很好的保證了產(chǎn)品質(zhì)量，又大幅降低了澳大利亞機(jī)車牽引座的加工難度，提高了生產(chǎn)效率，為澳大利亞機(jī)車的成功試制奠定了堅實的基礎(chǔ)。
來源：中車資陽機(jī)車有限公司 作者： 楊婕 王會清 胥磊
