一种五轴加工中心角度头固定装置设计
2018-2-18 来源：成都工贸职业技术学院 成都恒信创智科技 作者：陈本锋 李灿军
摘要：五轴加工中心在加工存在侧向轴颈的复杂零件时，刀具和零件的过切干涉和碰撞干涉经常发生，影响了加工质量。要充分发挥五轴数控加工的优势，必须设法解决这一难题。以往的经验是从编程和算法方面进行优化，该方法路径复杂、效率不高、精度较低、普适性较差。而采用新设计的角度头固定装置加工类似零件，经实证可以从结构上避免轴颈侧铣加工时产生的干涉现象，提高夹具的定位精度。该固定装置结构简单、成本低廉、满足功能需要，给企业实际加工提供了一种解决方案。
关键词：加工中心；附件；角度头；固定装置
整体叶盘具有结构复杂、通道窄、弯曲幅度大、叶片薄、易变形等特点，但其精度要求高、加工难度大。如图 1 所示，由于叶盘的轴颈处于零件的中心位置，且叶片尺寸较大，利用五轴加工中心加工轴颈外圆的槽孔等特征结构时，刀具和叶盘的叶片会产生碰撞干涉，影响加工质量。基于此，机械加工中常见的做法是安装角度头。角度头是一种机床附件，可以让刀具旋转中心线与主轴旋转中心线成一定角度，从而满足径向加工要求。传统的角度头固定方式间隙较大，当被加工材料较硬、刀具切削力过大时，刀具会因为受力而弯曲变形并产生振动，导致加工效率和加工精度不高。
设计一种能连接角度头与机床主轴的固定装置，提高了角度头的定向精度和刚性，能很好地解决加工轴颈时刀具与机件发生干涉时的工艺难题。下面以航空发动机转子整体叶盘的轴颈加工为例，介绍该角度头固定装置的设计理论、使用方法和应用效果。
1 、侧铣加工中存在的问题
以整体叶盘的轴颈特征槽加工为例，其加工轴颈时的装夹方式应该是大端在下、轴颈在上。因为叶盘的轴颈较短，轴颈端离叶片较近，且轴颈的特征槽在侧面，加工时刀具应该从水平方向进给。接角度头后，使用功能满足了，但加工过程中振动大、不容易控制，加工表面质量和加工精度差，且刀杆过长容易发生干涉。如果将刀杆加粗，则旋转过程中刀具的离心率过大，加工过程抖动严重，容易超出公差范围。
2 、角度头固定装置的功能设计
五轴数控机床的功能强大，标准化的机床并没有预留安装附件接口。鉴于以上分析中存在的问题，实际加工中试图设计一种角度头的固定装置，这个固定装置可以将角度头和机床主轴连接起来，角度头上再接刀具。除了满足功能要求，在使用方面，角度头固定装置结构应简单可变，固定方便快捷，工艺性好，便于设计和制造，并可以通过锁紧螺钉消除固定块和角度头定向销的间隙，提高定向精度和刚性.
3 、角度头固定装置的结构设计
该固定装置需要根据机床的尺寸来设计，不具有通用性。附件总体设计可以按照以下步骤进行：设计理论分析、零件的组成、外形尺寸及性能参数的确定、强度设计和材料的选择。
本例中选择瑞士米克朗 UCP800 五轴联动加工中心作为设计依据，其锥柄规格为 HSK63，摇摆式工作台为 630 mm，夹紧面为 600×600 mm，承重 500 kg。设计时，结合主轴直径、工件尺寸和刀具规格，选择机床所能容纳的装置最大尺寸。
3.1 设计理论分析
按照功能要求，需要满足该装置分别与机床主轴（图 2）、机床角度头（图 3）的固定两部分功能。其中，机床角度头上端连接主轴、下端连接刀具。
对照功能要求，还要考虑材料的稳定性、联接的精度、安装的便捷性、固定装置的重量（考虑机床的承载能力）、尺寸（为防止固定装置与零件或者机床部件发生干涉，固定装置尺寸应尽量小）。
接下来以此为依据完成设计任务。
3.2 组件设计
根据上述理论分析，该角度头固定装置设计出固定元件、定位元件、夹紧元件和锁紧元件四个部分，分别命名为定位块（图 4）、固定环（图 5）、锁紧螺钉（图6 ）、定位螺钉。因为每种数控机床的规格不同，组件中各零件的尺寸也不尽相同，本例仅作为满足该机床功能要求的较佳实施方案而已。固定环的内槽尺寸根据机床主轴尺寸设计，外轮廓尺寸无太大要求。定位块尺寸的工作面要求较高，两工作面分别与固定环和角度头紧密连接。为了缩短加工周期，螺钉可以选用标准化元件。
3.3 强度设计
附件设计的质量对生产效率、产品质量、废品率等有着直接的影响，为此，设计时要综合考虑其实用性、经济性和可靠性。角度头在夹紧力作用下，应确保其定位基面在固定装置的固定环工作表面，该功能要求固定环有一定的抗变形能力，要求固定环在承受外力时，有一定的刚性，避免产生不必要的变形和振动。
本例中，五轴加工中心比普通机床的刚性差，待加工零件属于薄壁件，加工过程中刀具的扭矩较小，对固定装置的强度要求不高。
3.4 、材料选用
常用的机床夹具材料包括 Q235 钢、45 钢、T8 钢、Cr12 钢、HT20 等各种钢质、铜质材料。根据机床主轴的刚性、夹持力大小，本着满足使用条件的前提下尽量减少成本的原则，选择碳素结构钢或合金钢 42Cr Mo 作为角度头定位装置的材料，其硬度为 36～42 HRC。该材料购买方便、热处理性能较好。
3.5 固定装置组合图
如图 7 所示的角度头固定装置。该装置中，共 4 类 10 个零件，包括固定块 1 个、固定环 1个、锁紧螺钉 6 个、定位螺钉 2 个。由于定位基准面与定位块工作表面接触面积较小，因此定位块和固定环之间的位置精度要求较高。
4 、角度头固定装置的使用说明
图 8 为固定装置在机床主轴上的装夹示意图。为了限制固定环与主轴之间的自由度，应该用锁紧螺钉对主轴进行拧紧。为了便于锁紧，固定环与主轴之间应该添加铜垫片。
4.1 固定装置安装在主轴上
将固定环固定在机床的主轴上，预先移动到主轴的上端。用螺钉连接主轴和固定环，在主轴和螺钉的接触面上各加一个薄铜片，防止螺钉压伤主轴。螺钉拧紧的程度要适当，以固定环不锁紧、不下滑为准。
4.2 角度头安装在固定装置上
将定位块套在角度头的定位柱上，将主轴定向到与角度头刀柄槽对齐。将角度头向上靠近主轴，将预先移动到高处的固定环与固定块的安装孔对齐，将固定环的螺钉松开，将固定环从主轴高处向下移动一定的距离。将固定环锁紧，在此过程中保持其安装孔与固定块的安装孔对齐。拧紧角度头的紧定销，消除角度头与定位块之间的间隙。安装完成，在角度头的夹紧装置上接上刀具即可工作。
4.3 确定工艺设置参数
确定加工工序后选择刀具，并设置刀具参数。选择的编程原点应方便编程、测量和操作，同时考虑引起的加工误差较小。将刀具的刀位点放到与编程坐标系原点一致的位置。编写数控加工程序，修改后处理程序。检查装夹、刀具和程序，无误后开始加工。
5 、应用实例分析
5.1 加工对象分析
为了测试该装置的使用性能，选择某航空发动机转子第一级整体叶盘为例进行加工。该叶盘的设计重量达 35.9 kg，最大回转直径约Φ800 mm，材料为钛合金，叶片最大长度为 200 mm，单个叶片的厚度为不均匀的 2.5～4 mm。该叶盘轴颈 Φ20 mm、壁厚 3 mm，加工难度大。
5.2 加工步骤分析
因为机床无法使用 RTCP 功能，所以必须将零件放在旋转工作台的中心，夹紧零件。设定工件坐标系，特别注意工件的角向位置，使工件轴向待加工结构与角度头和刀具安装方向一致。将固定装置与机床主轴连接固定，并将角度头安装在固定装置上，装夹刀具。
5.3 加工效果比较
通过实践加工表明，使用本设计的固定装置加工与未使用该装置加工相比，可使用的刀具长度明显缩短，加工过程中让刀量减小，更容易控制被加工零件的尺寸精度和表面质量。加工效率显著提高，达到了预期的设计要求。
6 、小结
五轴加工中心的功能非常强大，因此，设计者没有预留更多的机床附件供企业选择。通过对五轴加工中心角度头使用的分析，设计种能够连接角度头和加工零件的附件，扩展了五轴加工中心的加工范围和功能。实践证明，采用角度头固定装置，增加了刀具刚性，解决了干涉问题，对指导企业生产有实用价值。
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