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加工測試方圓試件、NAS件及S件,國產數控的逆襲!

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編者按

機床數控系統發端於20世紀50年代的美國,20世紀70年代後期,日本企業使其得到廣泛推廣。作為衡量一個國家裝備製造業發展水平的重要標誌,數控技術成為戰略性核心技術,五軸聯動以上高檔數控系統和機床裝備被視作國際戰略物資。筆者以實踐證明,在五座標聯動加工方面,國產華中數控系統HNC848的控制加工精度滿足NAS件及S件綜合考核要求,達到了與國外數控系統同等的水平,推動了國產高檔數控系統在航空航天領域的廣泛應用。

1    序言

華中數控系統HNC848是全數字匯流排式高檔數控裝置,採用模組化、開放式體系結構,基於具有自主智慧財產權的NCUC工業現場匯流排技術,具備多軸、多通道及同步軸同步等功能。華中數控系統HNC848配套不同構型五軸機床的操作介面如圖1所示,其介面設計友好、操作方便。HNC848在車銑複合加工中心、高速精密臥式加工中心、龍門五軸加工中心等高檔數控機床上均適用,在航空、航天、能源等大型企業中批次應用,取得了良好的效果,加工效果達到國外知名數控系統水平,加工效率大大提高,實現了國產數控系統在航天領域的重大突破,打破了國外知名品牌數控系統的長期壟斷局面。

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a)七軸五座標聯動車銑複合控制 b)六軸雙模式五座標聯動鏜銑控制  c)五軸五座標聯動控制

圖1 華中數控系統HNC848操作介面

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NAS件及S件簡介

NAS件是透過加工圓錐臺試件產生的面粗糙度、圓度、角度及尺寸精度等指標,來檢驗機床的動態精度,是目前國內外數控機床動態精度驗收的常用方法。標準要求圓度0。1mm,同軸度0。1mm,角度公差30°±0。035°。

S件的主體是一個呈“S”形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條,曲面形狀複雜。使用立銑刀側刃加工時,刀具軸向必須連續變換,同時機床必須能完美執行五軸聯動的座標連續換向。加工中,機床進行五軸聯動的座標連續換向,能集中反應機床的幾何精度、定位精度、動態特性以及反向誤差等特性。切削完成後的S件對緣條型面尺寸精度要求較高,為±0。05mm,緣條厚度公差為±0。1mm,緣條表面粗糙度值Ra=3。2mm,總體技術難度較高。

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大型六軸雙模式五座標聯動加工中心應用驗證

3.1 總體結構

大型六軸雙模式五座標聯動加工中心(見圖2)採用高架式龍門結構,固定式工作臺中間鑲嵌旋轉工作臺,橫樑沿左、右床身導軌水平縱向移動(X軸);橫樑上配置有溜板,銑頭滑枕既可隨銑頭溜板沿橫樑導軌水平橫向移動(Y軸),也可沿溜板導軌垂直升降(Z軸)。雙擺角數控萬能銑頭的主軸隨銑頭擺動體在垂直面內繞X軸擺動(A軸),隨銑頭叉形體在水平面內繞Z軸迴轉(C軸);配備f 2000mm數控分度轉檯(B軸),配備鏈式刀庫。數控系統採用華中五軸數控系統HNC848,可實現五軸聯動。

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圖2 大型六軸雙模式五座標聯動加工中心

該銑頭主體方案採用A/C雙擺角銑頭(見圖3)與滑枕一體化結構,C軸傳動部分安裝在滑枕內部,主運動由電主軸單元實現。銑頭的A、C軸驅動採用德國IDAM力矩電動機直接驅動技術,並且可透過液壓夾緊裝置將A、C軸鎖定在任意位置上;另外還採用HEIDENHAIN高精度角度編碼器,實現全閉環位置反饋。銑頭的A軸擺動體內安裝大功率高速電主軸,主軸功率52kW,最高轉速18000r/min。

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a)結構原理                               b)實物

圖3 A/C雙擺角銑頭

3.2 五座標程式設計後處理

大型六軸雙模式五座標聯動龍門玻璃鋼加工中心機床結構:X軸橫樑沿固定立柱床身導軌縱向運動,Y軸滑銑頭溜板沿橫樑導軌往復運動,Z軸滑枕式銑頭沿溜板導軌垂直運動,主軸頭為A/C雙擺角數控萬能銑頭。底座固定在地基上,迴轉工作臺B軸(先期設定為B軸,後由於與攻螺紋功能衝突,將B軸改為U軸)位於底座工作臺中部,六軸雙模式五座標機床運動軸如圖4所示。透過UG自帶的後置處理構造器,配置此機床的後置處理,其中限制了C軸行程為-360°~360°,A軸行程為-110°~110°。若A、C軸超程,後置處理程式將自動退刀並重新進行刀具路徑處理,輸出接續程式實現安全加工。

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a)運動結構配置

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b)五座標聯動幾何運動關係

圖4 六軸雙模式五座標機床運動軸

3.3 綜合加工測試

(1)國家標準三座標立式與臥式綜合測試針對五座標機床需同時加工立式和臥式兩種狀態的情況,需按照標準的三軸方圓試件進行加工;另外增加了2處3°斜角檢測斜面的精度、4處圓孔檢測孔的位置度,圓孔中增加臺階孔,檢測兩孔的同軸度。經加工及檢測,精度全部合格,實物如圖5所示。

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a)立式粗加工        b)立式精加工       c)臥式精加工

圖5 國家標準方圓試件測試實物

(2)NAS及S件加工測試採用國產華中數控系統HNC848控制六軸雙模式五座標聯動加工中心進行應用測試。各伺服驅動電動機採用配套國產電動機,採用RTCP五軸刀心程式設計控制,基於UG NX模式進行雙模式五座標聯動後處理開發,雙模式五軸聯動自行切換,最終完成了NAS和S件測試(見圖6、圖7),經過檢測全部合格。

圖6 NAS件測試

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圖7 S件測試

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大型七軸五聯動立式車銑複合加工中心應用驗證

4.1 總體結構

圖8為大型七軸五聯動立式車銑複合加工中心,車削主軸箱沿橫樑水平移動(X1軸),銑削主軸箱沿橫樑水平移動(X2軸);工作臺沿床身前後移動(Y軸),擺動頭固定於銑削主軸下方,繞Y軸旋轉(B軸);車削滑枕在主軸箱內上下移動(Z1軸),銑削滑枕在主軸箱內上下移動(Z2軸);迴轉工作臺(C軸)在車削工作時提供主切削力,在銑削工作時可實現數控旋轉分度;橫樑沿龍門立柱上下運動(W軸)。採用華中數控HNC848全數字數控系統,能實現X、Y、Z、B、C五軸聯動的數控控制和插補運算功能,能夠保證在整個加工區域內進行車削、鏜削、鑽削及銑削加工。

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a)外觀

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a)外觀

圖8 大型七軸五聯動立式車銑複合加工中心

4.2 綜合加工測試

(1)國家標準三軸銑削方圓試件加工測試針對機床特點,對機械部分及數控系統進行最佳化,並最佳化加工基準、數控程式,進行國家標準方圓試件三軸銑削加工測試(見圖9),切削成品經過檢測,尺寸全部合格。

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a)輪廓銑削加工過程           b)輪廓銑削加工實物

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c)孔系加工過程           d)孔系加工實物

圖9 國家

標準方圓試件三軸銑削加工測試

(2)NAS件加工測試針對NAS件標準要求,進行五軸側銑綜合測試。對數控系統插補週期、加工刀具、數控程式、進給量和主軸轉速進行最最佳化摸索,加工NAS件(見圖10)。經檢測,加工精度滿足標準要求,但是從摸索的情況來看,機床在不同進給速率和不同轉速下加工出的產品,其外表面粗糙度存在差異,動態自適應調整功能還需要提高。

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a)粗加工過程       b)粗加工實物

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c)精加工過程            d)精加工實物

圖10 NAS件加工測試

(3)S件加工測試S件加工測試如圖11所示,加工精度滿足使用要求,但是在平面處出現了小的凹痕。經深入分析,原因是機床在閉環狀態下增益調不上,需要透過改善機械摩擦力進行最佳化。採用國產華中數控系統HNC848,各伺服驅動電動機全部採用配套國產電動機,X、Y、Z三個線性軸進給速度分別達到15m/min、12m/min、8m/min,複合擺頭5r/min,實現迴轉工作臺5r/min銑削和150r/min的車削控制。採用RTCP五軸刀心程式設計控制,完成了基於UG NX模式的五座標聯動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑複合自行切換,實現了國產機床的安全自主可控。

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a)剛進刀狀態    b)行進狀態    c)S件實物正反面

圖11 S件加工測試

採用力矩電動機直接驅動A/C主軸擺頭,配備HSK A63主軸刀柄,透過20kW的主軸電動機及37N·m的恆扭矩進行切削,既可以實現鋁合金、複合材料的高速精密切削,也可以實現不鏽鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的精密切削。

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大型主軸複合擺動式銑車複合加工中心應用驗證

5.1 總體結構

大型主軸複合擺動式銑車複合加工中心(見圖12)配備國產華中數控系統HNC848,採用高精密光柵尺、圓鋼柵尺,全閉環位置反饋控制。機床床身、立柱、橫樑、滑座、旋轉工作臺和主軸箱等主要基礎件及關鍵結構件均採用鑄造結構,確保機床具有高的剛度和良好的精度穩定性。X、Y、Z直線軸均採用高精度直線導軌支承,移動由伺服電動機帶動高精度滾珠絲桿來實現,對直線導軌和滾珠絲槓採用雙層防護,以防止加工粉塵的汙染。銑車複合旋轉工作臺支承採用交叉滾子軸承,驅動採用雙電動機帶動變速齒輪箱驅動工作臺旋轉,工作臺在車削工作時提供主切削力,在銑削工作時可實現數控旋轉分度。主軸系統採用B軸擺動頭,使主軸實現立、臥轉換(見圖13)。安裝車刀和旋轉刀具的主軸具有車、銑複合功能,可實現車、銑加工;主軸配備HSK A100高速銑削刀柄及CAPTO車削刀柄;裝置主軸轉速可達到10000r/min;機床左側配備40把鏈式自動換刀裝置,換刀時間<5s。

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圖12 大型主軸複合擺動式銑車複合加工中心

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a)立式                     b)臥式

圖13 主軸立臥轉換

5.2 綜合加工測試

針對該非正交座標系統的特種結構形式五座標機床,透過主軸立式和臥式兩種方式同時進行標準三軸方圓試件加工(見圖14),該方式可以透過檢測結果有效推測出擺動頭的動態擺動精度,兩種狀態下的檢測結果均合格。然後進行NAS件及S件加工測試,試切的NAS件及S件(見圖15、圖16)均滿足精度指標要求。

圖14 方圓試件立式及臥式加工

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圖15 NAS件試切

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圖16 S件試切

大型主軸複合擺動式銑車複合加工中心採用國產華中數控系統HNC848,各伺服驅動電機全部採用配套國產電動機,X、Y、Z三個線性軸進給速度分別達到15m/min、12m/min、10m/min,複合擺頭5r/min,實現迴轉工作臺5r/min銑削和200r/min的車削控制。採用RTCP五軸刀心程式設計控制,完成了基於UG NX模式的五座標聯動銑削+立式端面車削+臥式外圓車削的車銑複合自行切換,實現了國產機床的安全自主可控。採用力矩電動機直接驅動A/C主軸擺頭,配備HSK A100主軸刀柄,透過20kW的主軸電動機及201N·m的恆扭矩進行切削,既可以實現鋁合金、複合材料的高速精密切削,也可以實現不鏽鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料的強力切削。所加工的NAS件和S件均檢測合格,滿足航空航天產品五軸聯動加工需求。

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橋式龍門搖籃式五軸加工中心應用驗證

圖17所示的搖籃式五軸加工中心採用雙立柱小龍門框架式結構,配備國產華中數控系統HNC848。機床X、Y、Z三軸行程分別≥1600mm、800mm、800mm;C軸-360°~360°連續;A軸 -15°~110°連續;主軸最高轉速≥12000r/min;定位精度≤0。008mm;重複定位精度≤0。005mm;迴轉軸定位精度10",重複定位精度7";傾斜軸定位精度12",重複定位精度8";快移速度≥24m/min。其加工的NAS件及S件(見圖18)經檢測全部合格,滿足航空航天五軸小型零部件精密高效加工的需求。

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a)三維模型

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b)實物外形

圖17 搖籃式五軸加工中心

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a)NAS件加工過程   b)NAS件半精加工實物  c)S件加工實物

圖18 搖籃式五軸加工中心NAS件及S件加工測試

7    結束語

本文采用國產華中數控系統在A/C擺頭五軸機床、單擺頭五軸機床、複合擺頭五軸機床、搖籃轉檯五軸機床四類典型五座標高檔機床上,分別加工測試國家標準方圓試件、NAS件及S件,均達到合格要求。結果表明,國產華中數控系統符合五軸機床的綜合性能測試指標的要求,可以滿足各行業五軸高檔機床的數控系統需求。對標國外部分進口高檔數控系統的先進功能,國產數控系統在高速高精插補控制、動態監測與碰撞控制、智慧化加工控制、多軸聯動高速高精插補控制、數控程式手動操作控制、基於特徵的迴圈程式設計、多座標聯動剛性攻螺紋以及系統操作介面等方面,均可以達到國外高檔數控系統同等水平。

本文發表於《金屬加工(冷加工)》2021年第11期第76~81頁,作者:華中科技大學 王華僑,高嵩;廈門大學 王宇飛;湖北三江航天紅陽機電有限公司趙華軍,劉東青,張守明;武漢華中數控股份有限公司 鄭武,王浩志,原標題:《國產華中數控系統在不同構型五軸機床上的應用驗證》。

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