大型發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈模具的數(shù)控加工技術(shù)

李樹(shù)偉

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

早期采用靠模熱彎壓手工操作制作的線(xiàn)圈模具，質(zhì)量不穩(wěn)定、安全性差。大型發(fā)電機(jī)定子線(xiàn)圈模具可以很好控制線(xiàn)圈端部的質(zhì)量，提高機(jī)組的質(zhì)量和安全性。為了提高大型機(jī)組線(xiàn)圈模具的加工精度，公司開(kāi)始試驗(yàn)數(shù)控加工定子線(xiàn)圈模具。［1-3］

1 定子線(xiàn)圈模具的結(jié)構(gòu)

定子線(xiàn)圈模具分4組，每組2件，共8件。線(xiàn)圈模具的理論模型是分開(kāi)的模具形式，如圖1所示。主要加工部位是“L”形的部分，包括頂部、立面、平面、底部立面和底部平面5部分。其中立面和平面部分較高，在110mm以上，給加工帶來(lái)了困難。模具各個(gè)部分之間的連接沒(méi)有過(guò)渡，而是直接拼接完成，存在很多的拐角位置。立面和平面之間是空間垂直的關(guān)系，出現(xiàn)了直角部分加工。模壓部分在底座上，額外增加了兩個(gè)加工區(qū)域。

2 數(shù)控加工工藝

根據(jù)線(xiàn)圈模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，普通機(jī)床無(wú)法完成加工任務(wù)，只能采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。

圖1 線(xiàn)圈模具的理論模型

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面加工，實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床無(wú)法加工的特殊工件。但是，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工也有很大的限制，并不是所有工件都可以采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。線(xiàn)圈模具的結(jié)構(gòu)就給五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工帶來(lái)了極大的困難。首先是立面高度達(dá)到了110mm以上，五軸聯(lián)動(dòng)加工刀具側(cè)面切削刃的抗力很大，而立面高度大，刀具長(zhǎng)度必須超過(guò)立面高度，造成刀具超長(zhǎng)。在精加工時(shí)，刀具在三個(gè)方面同時(shí)受力，切削抗力巨大，很容易將刀具折斷。經(jīng)過(guò)實(shí)踐測(cè)試，數(shù)控工藝很難實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。

五軸固定刀軸加工是刀軸固定在空間的角度，在加工運(yùn)行過(guò)程中，刀軸保持固定不變，這種加工方式的優(yōu)點(diǎn)是刀具角度固定，加工立面時(shí)可以不用超長(zhǎng)的刀具，刀具的強(qiáng)度好。分區(qū)域加工，切削抗力小，數(shù)控工藝上可以實(shí)現(xiàn)。

2.1 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工

這種方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是加工的效率高、編程容易，可以實(shí)現(xiàn)加工的直角區(qū)域，但加工的表面質(zhì)量不好，對(duì)數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)度要求較高。這是試驗(yàn)的第一種方式，在五軸聯(lián)動(dòng)電主軸數(shù)控龍門(mén)銑床上進(jìn)行，試驗(yàn)件2件。由于是五軸聯(lián)動(dòng)方式，刀軸控制與加工曲面垂直，這樣在模具的各個(gè)區(qū)域處有拐角，刀軸角度會(huì)發(fā)生突變，切削抗力很大。圖2為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工示意圖，用數(shù)控編程進(jìn)行了模擬仿真。發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題要求數(shù)控機(jī)床的強(qiáng)度很大才行，不適合電主軸的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。通過(guò)實(shí)踐加工，發(fā)現(xiàn)切削的抗力確實(shí)較大，經(jīng)常發(fā)生刀具折斷或機(jī)床報(bào)警的問(wèn)題。為了能夠繼續(xù)加工，只能降低切削量和進(jìn)給速度，這樣直接降低了加工的效率，造成生產(chǎn)周期延長(zhǎng)。試驗(yàn)了2件，生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)1個(gè)月，生產(chǎn)效率太低，只有更好的數(shù)控機(jī)床才能提高生產(chǎn)效率。后來(lái)調(diào)整到機(jī)械傳動(dòng)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上才順利完成加工任務(wù)。

圖2 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工示意圖

2.2 五軸固定刀軸數(shù)控加工

這種方式的刀具強(qiáng)度較好，不需要超長(zhǎng)的刀具，能自動(dòng)完成加工而不需要操作者手工調(diào)整，加工余量控制準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)高速切削，生產(chǎn)效率高，對(duì)五軸機(jī)床的強(qiáng)度沒(méi)有特殊要求。但是，數(shù)控編程加工工藝復(fù)雜，程序量大，編程、調(diào)試和修改困難。

根據(jù)線(xiàn)圈模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將模具分成6個(gè)區(qū)域，分別是：上部，側(cè)面1區(qū)到5區(qū)。圖3為五軸固定力軸數(shù)控加工示意圖。這樣拆分是依據(jù)曲率的變化大小來(lái)改變。采用區(qū)域銑削的方式，逐個(gè)完成加工。對(duì)于直角的區(qū)域，必須先進(jìn)行粗加工，將拐角的材料余量去除，否則就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)方向同時(shí)切削的問(wèn)題，造成切削抗力增大。

圖3 五軸固定刀軸數(shù)控加工示意圖

高速切削（HSM或HSC）是20世紀(jì)90年代迅速推廣到實(shí)際應(yīng)用的先進(jìn)加工技術(shù)，通常指高主軸轉(zhuǎn)速和高進(jìn)給速度下的銑削。國(guó)際上在航空航天制造業(yè)、模具加工業(yè)、精密零件加工行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，可以提高生產(chǎn)率。銑削速度和進(jìn)給速度的提高，還可提高材料的去除率，對(duì)復(fù)雜的型面加工可以直接達(dá)到零件表面質(zhì)量的要求，縮短手工打磨工序和工藝路線(xiàn)，進(jìn)而大大提高加工的生產(chǎn)率［1］。高速銑削的切削力小，有較高的穩(wěn)定性，可以高質(zhì)量地加工出薄壁的零件和陡壁區(qū)域。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，線(xiàn)圈的模具是模具類(lèi)的一種，采用高速加工方式是非常合理，也是提高加工效率和質(zhì)量的一種有效手段。

由于高速切削的特殊性和控制的復(fù)雜性，在高速切削的條件下，傳統(tǒng)的NC程序已經(jīng)不能適應(yīng)要求。因此，必須認(rèn)真考慮加工過(guò)程中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，深入研究高速切削狀態(tài)下的數(shù)控編程。高速切削中的NC編程不僅僅局限于切削速度、切削深度和進(jìn)給量的不同數(shù)值，編程時(shí)必須改變加工策略，以創(chuàng)建有效、精確、安全的刀路，從而得到預(yù)期的表面質(zhì)量［2］。在精加工時(shí)要求保持恒定的切削載荷，首先保持金屬去除量的恒定，其次要平滑地切入工件，讓刀具沿著一定坡度切入工件而不是直接插入［3］。經(jīng)過(guò)了開(kāi)粗和半精加工的操作，材料余量均勻，客觀上保證去除量的均勻。精加工編程時(shí)，還要保證刀路軌跡的平滑性。刀路軌跡的平滑性是保證切削負(fù)載恒定的重要條件。在尖角處要有平滑的刀路軌跡，消除機(jī)床的運(yùn)動(dòng)急速換向，保證切削穩(wěn)定。設(shè)定進(jìn)入和跨越是光順?lè)绞?，調(diào)整編程加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)平滑的刀路，完成高速切削加工。

2.3 模擬仿真

五軸數(shù)控機(jī)床一般都是重點(diǎn)設(shè)備，運(yùn)動(dòng)較復(fù)雜，要避免出現(xiàn)意外的碰撞。數(shù)控編程完成后，要進(jìn)行模擬仿真，檢驗(yàn)程序的正確性。這對(duì)于高速切削尤為重要。機(jī)床運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)部件都處于高速狀態(tài)，一旦發(fā)生碰撞，造成機(jī)床的損壞。這里采用了機(jī)床部件和顯示三維去除材料的模擬仿真，可以真實(shí)地反應(yīng)線(xiàn)圈模具加工的狀態(tài)，有效地避免碰撞和意外的各種情況，可以保證程序的可執(zhí)行性和安全性，模擬仿真檢查如圖4所示。對(duì)于高速切削而言，機(jī)床模擬仿真是必不可少的步驟，也是評(píng)價(jià)加工程序的重要依據(jù)。

圖4 模擬仿真檢查

圖5 加工完成的線(xiàn)圈模具

3 結(jié)語(yǔ)

為了開(kāi)發(fā)大型發(fā)電機(jī)線(xiàn)圈模具的數(shù)控加工項(xiàng)目，先后采用了兩種數(shù)控加工工藝方案。通過(guò)比較，固定刀軸加工的方案較優(yōu)，可以克服刀具強(qiáng)度和長(zhǎng)度的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高速切削。加工單件時(shí)間是3d，比五軸聯(lián)動(dòng)的加工效率提高了10倍，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。加工完成的線(xiàn)圈模具如圖5所示。

［1］楊勝群.UG NX數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社.

［2］何晶晶.UGS NX7.5自動(dòng)編程實(shí)例［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社.

［3］姜厚文，楊浩.UG NX6固定軸與多軸銑培訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社.