在數控臥式鏜床上利用U 軸進行復合加工

        在臥式加工中心的發展過程中，普通的X、Y、Z 軸配合主軸已經很難滿足現代加工的要求。在液壓氣動、工程機械、石油化工設備、汽車、機車車輛、電力設備等行業中，以橋體、差速器殼體、泵體及閥體類零件為主要加工對象，此類零件由于自身結構特點，常有2 英寸以上的錐管螺紋加工；泵體及閥體結合端面常有弧形或異型密封槽，其密封性要求非常高；大量的直徑不同的同軸孔系使得此類零件的加工在普通的臥式加工中心上難以實現，需要有B 軸、U 軸、W 軸等軸聯動實現復合加工。   為了解決此類零件的加工，機床制造商和刀具制造商都推出了具備U 軸的解決方案。
一、 具備U 軸功能的刀具
        此類刀具配有CNC 控制單元與機床伺服系統連接(有關技術協議需事先與機床制造商討論)，另配有連接軸完成驅動，用以實現U 軸與Z 軸聯動，可以完成錐孔、R 面、車螺紋等加工。選配的探頭可進行自動測量、自動加工、提高加工精度。此方法對于普通臥式加工中心臨時追加U 軸功能可以滿足要求。但是，在實際使用過程中，具備U 軸功能的刀具存在下列不足之處：
(1) 刀具的伺服單元及機械結構空間有特殊要求；
(2) 自身結構較單薄，不適用于強力切削；
(3) 對于孔徑差別大的或加工內容有區別的加工，仍需采用多把U 軸功能的刀具，由于這是專用刀具，價格昂貴，所以很不經濟。
二、 具備U 軸的臥式加工中心 
        日本新瀉鐵工(NAGITA)開發生產的BFN 系列復合加工中心帶來了新的概念，其U 軸功能不僅僅解決了上述異型件的加工問題，同時也大大減少了刀具使用數量，提高了刀具集成化。其主要特點為：
(1) U 軸單元直接安裝于高剛性主軸端部，驅動單元通過主軸內部的齒輪、齒條傳動實現，使得U 軸剛性大大加強；
(2) U 軸行程為50mm，最大鏜孔直徑可達300 mm；
(3) 刀柄形式為1/10 的短錐、端面雙接觸刀柄，適用于高精度強力重切削：
(4) 采用獨特U 軸冷卻系統，與U 軸保持同步旋轉，增強刀刃冷卻效果；
(5) 配有專用編程輔助軟件(SNAP3)，可簡化、優化編程及程序調試；
(6) 另配有自動探測、補償系統作為選擇功能(機內非換刀式)，自動完成“粗加工 → 孔徑自動測量 → U 軸自動補償 → 精加工”全過程。 
        NIGATA 的專用編程輔助軟件(SNAP3)以宏程序的型式編制，依靠宏程序執行器調用，既提高程序調用速度又釋放用戶宏程序可用空間。且用戶應用SNAP3 專用編程軟件編制加工程序，僅需依照加工輪廓的縱剖面，給出各拐點坐標值即可，宏程序自動安排加工工步，減少計算量及人為錯誤。但這種復合加工中心在機械結構及軟件支持上還需進一步完善。
三、 具備U 軸的數控臥式鏜床 
        我公司推出的數控臥式鏜床TK6113、TK6111 系列產品，其具有固定平旋盤和可拆卸式平旋盤。平旋盤滑塊( U 軸) 為數控軸， 利用SINUMERIK840D 數控系統強大的控制功能，可實現X、Y、Z、B、W、U 軸任意六軸四聯動,能夠很容易地完成上述異型件的加工，并且U 軸行程為350mm，最大鏜孔直徑可達Ф700 mm，極大地提高了加工范圍。下面以TK6113 數控臥式鏜床為例，利用SINUMERIK 840D 數控系統實現U 軸與Z 軸聯動，完成錐孔、R 面、車螺紋等加工。
對于TK6113 數控臥式鏜床,具有六個通道軸XX、YY、ZZ、B、U、W。
機床參數設定中基本幾何軸設定為：
通道軸XX 軸=第一幾何軸(X 軸)
通道軸YY 軸=第二幾何軸(Y 軸)
通道軸ZZ 軸=第三幾何軸(Z 軸)
通道軸B 軸 =第四幾何軸(B 軸)
通道軸U 軸 =第五幾何軸(U 軸)
通道軸W 軸 =第六幾何軸(W 軸) 
               由于SINUMERIK 840D 數控系統在進行插補運算時，必須指定插補平面，即在G17、G18、G19 平面中進行插補計算，實現X、Y、Z、B、U、W軸等軸聯動實現復合加工。因此在使用U 軸與Z 軸聯動完成復合加工之前，必須先進行幾何軸轉換，將U 軸轉換為第一幾何軸(X 軸)，在G18 平面中進行插補運算，完成直線和圓弧插補運算，實現復合加工。
               如何來進行幾何軸轉換呢？我們接下來介紹SINUMERIK 840D 系統中的幾何軸轉換指令GEOAX，其指令格式為：
GEOAX( n ，channel axis, n , channel axis,…)
n ……… 所需轉換為的幾何軸號(n =1，2 or 3)；
channel axis ……… 即為通道軸XX、YY、ZZ、B、U、W；
例如：指令GEOAX( 1 ，X X ，2 ，YY ，3 ，ZZ ) 
                該指令的結果是將通道軸XX 轉換為第一幾何軸(X 軸)，將通道軸YY轉換為第二幾何軸(Y 軸)，通道軸ZZ 轉換為第三幾何軸(Z 軸)。這就是TK6113 數控臥式鏜床機床數據設定的幾何軸的基本配置。在程序中用指令GEOAX()調用機床數據設定的幾何軸的基本配置。我們利用幾何軸轉換指令GEOAX( 1 ，U )將U 軸轉換為第一幾何軸(X 軸)后，就可以利用U 軸與Z 軸進行插補，實現鏜錐孔、車端面弧形或異型密封槽等復合加工。此外，將U 軸轉換為第一幾何軸(X 軸)后，筆者創造性地將SINUMERIK840D 系統中的車削加工固定循環應用在數控鏜床上，大大增加了TK6113 等系列數控鏜床的加工范圍。
 以車削錐管螺紋為例：
N5 M61 M62 M63；
N10 M65；
N15 GEOAX()；
N20 G54 G90 G0 U0 Z100；
N25 X0 Y0；
N30 GEOAX( 1 ，U ，3，Z )；
N35 G0 G18 Z50 X30 ；
N40 G95 S25 M03；
N45 CYCLE97(PIT，MPIT，SPL，FPL，DM1，DM2，APP，ROP，
TDEP，FAL，IANG,NSP,NRC,NID, VARI,NUMT)；
N50 G0 G90 X3O Z100；
N55 M5；
N60 GEOAX()；
N65 M30；
                用此螺紋切削循環，可加工圓柱體和圓錐體上的外螺紋和內螺紋，既可加工單頭螺紋和也多頭螺紋。讀者可依此類推，應用其余車削加工固定循環。
四、 存在的問題
(1) 使用U 軸加工，加工精度受離心力的影響是不可避免的(即便機床具有平衡配重機構)，平旋盤旋轉時的離心力，受刀具重量、長度、回轉速度、切削狀態等因素影響而成為一個不確定量。用戶需進行試切，根據試切數據，改變進刀值以達到目標尺寸。這些經驗補償值可作為自己的數據庫，以備以后加工中使用；
(2) 另外，由于離心力的影響，平旋盤的回轉速度被限制在200 轉/分鐘以下，對于需要高速加工的材料來說(例如有色金屬)，表面粗糙度不理想。
綜上所述，此類具備U 軸的臥式加工中心、數控鏜床無論在異型件的加工還是提高加工效率、降低加工成本，都具有很大優勢。