五軸加工中心工作臺平面加工工藝改進分析

曾香港，馬有良，皮 勇

(1.西南科技大學制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010) (2.四川省普什寧江機床有限責任公司，四川 成都 611830)

五軸加工中心工作臺平面的平面度是影響加工質量的重要因素[1]。目前，五軸加工中心工作臺的平面大多采用人工刮削方式來達到需要的平面精度[2]，加工效率較低，且人工刮削后的工作臺平面精度易隨溫度變化。雖然有少數(shù)企業(yè)通過制定加工工藝路線，采用車、銑、刨完成回轉工作臺平面的機械加工，但受設備能力限制，導軌磨裝夾工件寬度不足，無法進行臺面磨削加工[3]。

為了在工業(yè)制造中高效、高精、批量化地實現(xiàn)加工中心工作臺平面的加工，本文利用初銑—平尺法初磨—走刀法精磨的加工方法，改進了傳統(tǒng)設備條件下的磨削工藝，確定出一種工作臺平面機加工綜合工藝方案。并以工作臺平面的平面度精度為檢測標準，利用三點法[4]分別檢測了銑削、磨削前后的工作臺平面的平面度誤差，用以驗證、分析該改進方案對工作臺平面度精度提升情況。

1 五軸加工中心加工復雜曲面案例分析

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，存在多種類型。這里以其中一種進行分析，如圖1所示，該五軸加工中心由3個直線軸和2個旋轉軸組成，其中直線軸Z和旋轉軸B在工作臺一側，直線軸X和Y以及旋轉軸A在刀具一側。加工S曲面時，五軸進行聯(lián)動加工。分析圖1可知，當工作臺平面度誤差較大、表面形成輕微凸起時，由于機床運動和加工過程中的熱力因素，會使S試件的安裝夾具產(chǎn)生微量變形，導致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)動加工S試件

2 平尺法校驗加工中心母機X軸導軌直線度

加工中心在加工不同工件時，其X軸導軌所需要的直線度精度的要求也不同，同時受溫度的影響，機床導軌也會產(chǎn)生一定的變形[7]。根據(jù)工作臺平面加工的驗收條件可知，加工完成的平面應盡量平整或者呈現(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軸導軌呈現(xiàn)平或者凹的趨勢，需在對工作臺平面加工之前，檢測X軸導軌的平面線性值并通過相應的程序對其進行補償。

光學平直儀檢測法對機床導軌的不直度測量精度較高，但光能損耗大，一般不能進行直接測量；平尺拉表比較法通常用來檢測導軌在垂直面內和水平面內的不直度[8-9]。考慮到工業(yè)制造成本及效率，實驗中采用滿足相對精度的平尺拉表法檢測X軸導軌直線度。

本實驗所采用的五軸加工中心X軸導軌長1 100 mm，工作臺尺寸為800 mm×800 mm，為方便檢測，將工作臺中心設置在X軸導軌的行程中心。用標準測量工具——精密平尺對X軸導軌直線度進行檢驗(取-950 mm到-150 mm這一范圍)。先在-1 000 mm和-100 mm處用千分表對精密平尺進行兩端校平(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，沿X0方向每50 mm檢測出相對參考點的千分表示數(shù)，以反映X軸導軌自身在垂直Y方向的波動情況，測量數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 X軸導軌不同位置所測千分表示數(shù)

當千分表示數(shù)為正值時，代表母機X軸導軌在該點處沿Y向相對下降；為負值時，則代表沿Y向相對上升。由此，可繪出X軸導軌自身的變化趨勢曲線圖，如圖3所示。

圖3 平尺拉表法檢測X軸導軌自身變化趨勢

圖3表明沿X軸導軌本身呈現(xiàn)凹凸不規(guī)則的變化趨勢，這將使加工出來的工作臺平面達不到國際標準所要求的平整或者內凹。

為使導軌平整內凹，需對X軸向的每一測量點進行Y方向的補償，當X軸導軌某點沿Y向相對上升時，應對Y向進行負值補償，反之，就應進行Y向正值補償。因此，每一點的補償值ΔYn可由式(1)計算。補償值的計算是相對前一測量點進行的一種相對換算，對應于編程中的增量編程。

ΔYn=Yn-Yn-1n≥1

(1)

由上述相關數(shù)據(jù)列出對應補償值，見表1。

表1 平尺拉表法X軸導軌精度補償表

根據(jù)補償表中對應的補償值，在相應的工作臺平面加工程序段中運用增量坐標(G91)進行Y軸方向的位移補償，就可以滿足X軸導軌直線度要求。

3 工作臺平面銑削

本文從工作臺毛坯件中隨機選取一臺進行下述相關工藝的具體數(shù)據(jù)分析。為使工作臺面能達到一定的平面度，需要對工作臺平面進行銑削加工，并采集和分析銑削前后平面的平面度誤差值。

沿T型槽方向從工作臺面中心軸至臺面一端邊緣進行平面銑削后，再旋轉工作臺180°以相同方式銑削另一端，按此方式循環(huán)銑削完整個表面，能夠保證工作臺半個平面內的加工方向一致，并且對稱銑削能夠產(chǎn)生相對內應力及磨削抗力，避免工作臺平面發(fā)生變形。

3.1 工作臺平面銑削前后平面度數(shù)據(jù)采集

工作臺平面面積較大，為準確反映平面度的真實性，需要在多個點進行數(shù)據(jù)采集。用電子水平儀通過三點法分別采集銑削前后工作臺平面上均布的60個位置點的平面度，并將采集數(shù)據(jù)輸入電子水平儀測量軟件中，分析出銑削前后工作臺表面的凹凸情況及平面度誤差值，測量結果如圖4所示：銑削前工作臺平面的平面度誤差為45.15 μm；銑削后工作臺平面度誤差為27.88 μm。

圖4 工作臺平面銑削前后測量結果

3.2 銑削后工作臺平面度分析

銑削后工作臺平面的平面度誤差有所降低，但工作臺平面的平面度誤差仍較大，且從測量結果圖可明顯看出，由于銑削過程中刀具沿T形槽方向來回走刀，工作臺平面呈現(xiàn)出一個方向規(guī)則的內凹趨勢，臺面內凹方向朝向同一側，導致工作臺平面凹弧度不均勻。

4 工作臺平面磨削

銑削分析結果表明，銑削后臺面性能仍需改善。由此可知，在銑削加工后還需要對工作臺平面進行磨削加工。本文通過結構分析對傳統(tǒng)的磨削加工方式進行了改進，磨削效率和質量都得到顯著提高。

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表面，砂輪圓柱面與工作臺表面面接觸，砂輪垂直方向均勻受力，磨削充分，磨削阻抗力小。在磨削加工工作臺時，砂輪從一側加工到工作臺中心并超過工作臺中心一段距離，可以得到更好的磨削效果并消除接刀痕，能夠保證工作臺中心附近的加工準確性。但將該方式應用于五軸加工中心對工作臺平面進行磨削加工時，根據(jù)圖5(b)計算可知，由于受到主軸頭半徑大小的限制，當砂輪中心超過工作臺中心80 mm時，工作臺就將與主軸頭在點A處接觸碰撞，砂輪就不能繼續(xù)向前移動，使工作臺不能充分地過中心磨削。

圖5 改進前工作臺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分析

針對上述磨削加工方式所存在的問題，暫提出2種改進方案：

1)增大砂輪直徑(工業(yè)標準砂輪直徑D=300 mm)，即可使主軸頭沿Y方向上升，主軸頭與工作臺的接觸點即可向右下方向移動，增加工作臺與主軸頭之間的相對距離，砂輪可繼續(xù)向前移動并超過工作臺中心。

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，通過將刀具主軸繞A軸旋轉一定角度，并將圓柱形砂輪改為一定錐度的圓錐(錐度與主軸偏轉角度相等，使傾斜后的砂輪仍能與工作臺實現(xiàn)面接觸)，仍可使砂輪向前運動一段距離并超過工作臺中心。

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，使得轉動慣量和線速度也相應增大，導致磨削過程中出現(xiàn)振動和不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此，筆者擬重點分析方案2)并找出刀具主軸的最佳旋轉角度。

如圖6所示，使刀具主軸繞A軸的旋轉點O旋轉一定角度，使砂輪能夠在原基礎上再向前移動一段距離(本次實驗只需要多移動50 mm就能使工作臺中心實現(xiàn)充分磨削，因此暫取50 mm進行分析)，此時工作臺與主軸頭在點B相接觸。

圖6 改進后工作臺磨削加工示意圖及相關尺寸

4.3 分析改進后刀具主軸旋轉角度

由圖5(b)可知，點A是未改進時工作臺與主軸頭接觸點，因為砂輪直徑為300 mm，則點A到水平軸的距離LAC為：

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

由圖6(b)可知，點B是改進后砂輪前進50 mm時工作臺與主軸頭接觸點。砂輪向前移動了50 mm，可轉換為工作臺向后移動了50 mm，則水平距離LOD(即點O到點D的距離)為：

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

點B到水平軸的距離LBD為：

圖7所示為等效分析簡圖，改進前砂輪中心點為點E，改進后砂輪中心點為點F。由于砂輪半徑較小，因此刀具主軸旋轉角度一般不宜超過10°?？蓪⒏倪M后的砂輪軸線按照仍平行于水平方向進行近似計算，即此時改進后砂輪中心點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角度θ為：

圖7 主軸偏轉角度等效分析簡圖

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

4.4 磨削加工及平面度檢測

4.4.1平尺法初步磨削

采用砂輪修正及A軸偏擺改進后的磨削方案，對工作臺進行初步磨削，磨削過程中，以0°—180°—90°—180°順序依次旋轉工作臺，以使工作臺平面磨削均勻。

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

4.4.2走刀法精密磨削

為了消除平尺法補償X軸導軌直線度帶來的誤差，采用另一種走刀法磨削方式進行修補。

該走刀法磨削方式，是先采用刀具沿X軸方向對初磨后的工作臺平面水平磨削走刀一次，再用電子水平儀每隔200 mm測量工作臺表面走刀處的示數(shù)。每點示數(shù)可以反映工作臺表面在Y方向的波動情況，該波動情況也正好反映出X軸導軌在Y方向的直線度波動情況。根據(jù)電子水平儀相關參數(shù)，電子水平儀示數(shù)中，示數(shù)6 μm/m 代表Y方向相對距離相差1 μm，則由測量數(shù)據(jù)可計算出相關補償值，見表2，隨后采用增量坐標編程對X軸導軌直線度再一次進行位移補償。

表2 走刀法X軸導軌不同位置所測示數(shù)及補償值

最后將走刀法補償加工程序編入對應的磨削加工程序段中，進一步修補X軸導軌直線度，以彌補精密平尺測量補償過程中存在的誤差，使X軸導軌的直線度精度更高，并以相同方式再精密磨削加工一次。

4.4.3磨削后工作臺平面度檢測

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

圖8 走刀法精密磨削后工作臺平面測量結果

精密磨削后工作臺平面度誤差為6.99 μm，與未進行機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。整個工作臺表面呈現(xiàn)出四周凸、中間凹形狀，具有極高的平面精度。

5 工藝方案驗證

驗證方案：對加工中心工作臺平面的加工采用以自身導軌精度為基準的加工方法，在同一臺機床上對相應的工作臺面進行加工(尤其是FMS柔性線多托盤的加工)，以減少工作臺的安裝誤差，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，利用隨機抽樣方法進行了10臺毛坯工作臺平面的加工實驗，并記錄了加工完后的各工作臺平面度誤差，結果如圖10所示。

圖10 10臺數(shù)據(jù)平面度驗證

圖10結果表明加工后的10臺工作臺平面的平面度誤差都在8 μm 以內，驗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平面的批量加工。

6 結論

1)采用精密平尺對機床的導軌精度進行檢測并通過程序補償使導軌在加工過程中保持水平運行，可避免因機床本身存在的誤差導致工作臺平面精度受損，保證后續(xù)加工的穩(wěn)定性。

2)改進傳統(tǒng)磨削方式，將刀具主軸繞A軸旋轉5.5°對工作臺平面進行磨削加工，避免了工作臺與主軸頭發(fā)生接觸碰撞。這種改進后的磨削方案，可根據(jù)工作臺面的不同加工精度要求，進行砂輪行程的相應調整，使磨削加工過程更為靈活便捷。

3)實驗結果表明，采用該加工工藝方案加工的工作臺平面精度都相對較高，能夠為當前多數(shù)五軸加工中心的工作臺平面加工提供一定的參考。