臥式數(shù)控銑床加工效率低、功能應(yīng)用不充分及零件生產(chǎn)類型受限等問題，設(shè)計兩組基于零點定位系統(tǒng)的銑床快速換裝平臺。通過工藝方案分析和典型零件加工驗證，顯著提高零件的裝夾效率并降低準備時間，充分發(fā)揮臥式加工設(shè)備的高效率、高適應(yīng)性優(yōu)勢，具有很好的推廣和應(yīng)用價值。
1 序言
飛機結(jié)構(gòu)件的材料類型主要有鋁合金、鈦合金、不銹鋼、高強度鋼及復(fù)合材料等，其結(jié)構(gòu)形式主要有框、梁、接頭、壁板和肋等，其中大部分金屬材料零件需要通過數(shù)控切削的方式進行加工。這些金屬結(jié)構(gòu)件的毛坯形式也是多種多樣的，例如板材、鍛件、鑄件和型材等。為了適應(yīng)多種零件結(jié)構(gòu)和毛坯形式以及多品種小批量的生產(chǎn)特點，同時追求優(yōu)質(zhì)、精益和高效生產(chǎn)，企業(yè)需要不斷配備先進的加工設(shè)備、附件裝備，尋求更加高效的加工方式和方法，以技術(shù)進步帶動生產(chǎn)效率提升，從而不斷滿足市場需求。
目前沈飛公司臥式數(shù)控銑床受機床及工作臺結(jié)構(gòu)形式限制，無法完全發(fā)揮設(shè)備能力。具體表現(xiàn)為：加工零件產(chǎn)品毛坯形式單一，只能加工板材類零件；機床角度應(yīng)用受限，無法加工大角度零件；加工方案設(shè)計思路受限；工藝準備時間長，機床利用率低，快換系統(tǒng)應(yīng)用能力弱。若以上問題不加以解決，必然導(dǎo)致機床性能整體受限，阻礙加工效率的提升。
本文通過研究臥式數(shù)控銑床的局限性，結(jié)合零點定位系統(tǒng)，創(chuàng)新性地設(shè)計一種新型臥式機床工作臺形式，改善了上述設(shè)備應(yīng)用中的不足之處。立足于新平臺系統(tǒng)并結(jié)合實際加工驗證，總結(jié)出一套適用于臥式數(shù)控銑床高效加工的的設(shè)備應(yīng)用方案和零件加工工藝方案，可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。
2 常用工作臺附件
目前公司多款臥式銑床為AB軸或虛擬AB軸結(jié)構(gòu)。按主軸和工作臺運動方式來劃分，存在兩種機床形式：一種是主軸關(guān)聯(lián)機床AB軸，或者是虛擬AB軸，主軸做YZ向運動和AB向旋轉(zhuǎn)，工作臺僅做X向運動，無轉(zhuǎn)動軸；另一種是主軸關(guān)聯(lián)機床A軸，主軸做YZ向運動和A向旋轉(zhuǎn)，而工作臺做X向運動，同時繞B軸旋轉(zhuǎn)。這兩種結(jié)構(gòu)類型中，工作臺均是獨立的。除了大型臥式銑床本身自帶翻板結(jié)構(gòu)外，一般中小型臥式銑床大多需要單獨配備功能方箱或平臺。
典型機床工作臺附件如圖1所示，包括帶真空吸附功能的角鐵式方箱、正方形帶貼板式方箱。其中角鐵式方箱多用于工作臺無旋轉(zhuǎn)軸的機床，比較常見；正方形貼板式方箱在兩種機床平臺結(jié)構(gòu)中都可使用。正方形貼板式方箱由一個基體座和多個貼板組合而成，其中貼板存在兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是采用普通的真空吸附結(jié)構(gòu)，用壓板或沉頭螺栓壓緊零件，這種結(jié)構(gòu)是當(dāng)前最常見的貼板類型，在角鐵式方箱中大多也采用此類結(jié)構(gòu)[1]；另一種是采用模塊化真空結(jié)構(gòu)，用反旋拉釘拉緊零件。反旋拉釘結(jié)構(gòu)的工作原理是：拉釘結(jié)構(gòu)平時藏在真空板內(nèi)，使用時會自動彈出。零件采用定位銷定位后，拉釘即可與毛坯上的螺紋孔對正，采用內(nèi)六角扳手擰緊拉釘，完成零件的裝夾和定位。
a）角鐵式方箱
b）正方形帶貼板式方箱
圖1 典型機床工作臺附件
由圖1可以看出，兩種方箱形式均存在一些局限性。由于兩種結(jié)構(gòu)的方箱都只能加工板材零件，所以機床使用角度受到限制，零件定位和夾緊均需要在平臺上進行，機床停機時間長，導(dǎo)致機床性能受限，阻礙加工效率提升。
3 快換平臺系統(tǒng)設(shè)計
通過研究臥式數(shù)控銑床的局限性并結(jié)合零點定位系統(tǒng)，設(shè)計兩種新型臥式機床快換平臺系統(tǒng)，以改善臥式銑床應(yīng)用中的不足之處。新平臺可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。
3.1 零點定位系統(tǒng)
航空結(jié)構(gòu)件多品種、小批量共線生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過程中同一臺機床需要頻繁更換零件。在不同零件切換或者同一零件翻面加工過程中，機床必須停下來進行裝夾準備，占用大量的機床加工時間[2]。經(jīng)過統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)件加工過程中，裝夾時間約占總加工時間的14%左右，準備時間顯著阻礙了機床利用率的提升。由此，基于零點定位系統(tǒng)的快速換裝技術(shù)應(yīng)運而生，它可以實現(xiàn)工裝夾具的快速更換，裝夾時間占比縮短至1.5%左右，顯著提高機床的加工效率。
零點定位系統(tǒng)屬于常鎖機構(gòu)，通氣時打開，斷氣時鎖死。當(dāng)給零點定位系統(tǒng)接通液壓或者氣壓時，壓力會通過活塞壓縮下面的彈簧，鋼珠會往兩側(cè)散開，此時才可以取出定位接頭。當(dāng)把動力源切斷時，彈簧往上頂動活塞，活塞把鋼珠向中間收，從而夾緊鋼珠。
零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。零點定位系統(tǒng)安裝在機床工作臺上，定位接頭安裝在夾具底面或者夾具托盤底面，其重復(fù)定位精度主要通過定位孔保證[3]。裝在夾具底面的定位接頭有3種，分別是定位接頭、削邊接頭和緊固接頭。其工作原理是：用氣壓使模塊張開，夾緊則是依賴內(nèi)部的強力彈簧，正常工作時不需要接通氣源?？鞊Q系統(tǒng)由不同的模塊組成，本體一樣但是接頭不同，屬于典型的一面兩銷式定位。
圖2 零點定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
零點定位系統(tǒng)的特點和優(yōu)點是：定位與夾緊同時進行，重復(fù)定位精度高，可達5μm以內(nèi)；可以自動找正中心；夾具托盤可以任意角度傾斜安裝，吊裝方便；鋼珠可在滾道內(nèi)自由滾動，間隙足夠大；結(jié)構(gòu)自帶吹屑功能，除屑方便；夾持力大，最高可達45kN；結(jié)構(gòu)使用壽命長。
3.2 快換平臺設(shè)計方案
針對臥式數(shù)控銑床的局限性并結(jié)合零點定位系統(tǒng)特點，同時為了滿足不同臥式機床種類需求，設(shè)計了兩套快換平臺方案：第一套設(shè)計方案是針對主軸關(guān)聯(lián)機床AB軸，或者是虛擬AB軸，主軸做YZ向運動和AB向旋轉(zhuǎn)，工作臺僅做X向運動，無轉(zhuǎn)動軸的臥式機床類型（簡稱工作臺無轉(zhuǎn)動軸類機床）；第二套設(shè)計方案是針對主軸關(guān)聯(lián)機床A軸，主軸做YZ向運動和A向旋轉(zhuǎn)，而工作臺做X向運動，同時繞B軸旋轉(zhuǎn)的臥式機床類型（簡稱工作臺有轉(zhuǎn)動軸類機床）。
（1）機床工作臺無轉(zhuǎn)動軸平臺方案設(shè)計 機床工作臺無轉(zhuǎn)動軸，僅有一個X向運動，所有轉(zhuǎn)軸均與主軸關(guān)聯(lián)。對于此種機床結(jié)構(gòu)，嘗試設(shè)計一個可拆卸換裝平臺系統(tǒng)（見圖3）。該系統(tǒng)以角鐵式方箱作為固定基體結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上集成6組零點定位單元，同時配備2組完全相同的真空快換活動板，活動板背面安裝6個定位接頭。真空快換活動板按序排列定位孔和螺紋孔，周邊密布氣密帶槽。每1塊活動板均配備3組真空吸附系統(tǒng)，一次準備可以同時安裝3個零件，顯著提高機床的加工效率。工作臺基體兩側(cè)設(shè)計V形粗找正輔助安裝模塊，同時在模塊斜面上配備高度可調(diào)的鋼珠滾輪?；顒影逑聜?cè)同樣采用V形設(shè)計，吊裝時，活動板利用自身重力落入基體粗找正模塊，保證定位接頭與零點定位單元快速對正并完成鎖緊工作。
a）平臺基體 b）真空快換活動板
圖3 可拆卸換裝平臺系統(tǒng)
為了進一步縮短準備周期，將活動板上定位孔按行和列標(biāo)注距離尺寸，以最右側(cè)一列孔和最下側(cè)一行孔交點處設(shè)置為固定零件加工坐標(biāo)系。加工不同零件也都采用同一個加工原點，確?；顒影暹B同零件安裝在基體上后，不需要額外的拉直、找正和對原點等準備工作，就可以直接進行切削加工。平臺具體的使用流程如下。
1）機床使用一塊活動板加工一個或多個零件，同時在機床外部第二塊活動板上準備其他零件。
2）在第一塊活動板上的零件加工完成后，將活動板卸下，將已準備好的第二塊活動板安裝在基體上。
3）調(diào)用程序加工第二塊活動板上的零件。同時在機床外部卸下第一塊活動板上的零件，并重新安裝新零件。
按照以上步驟，加工往復(fù)循環(huán)，可以保證零件加工的準備時間僅剩吊裝工裝的時間，準備時間顯著降低。經(jīng)過實際試驗驗證，1個零件的準備時間由35min降低為5min以內(nèi)。
以上方案驗證了采用通用活動板加工板材零件的可行性。除了加工板材零件外，該系統(tǒng)還可加工帶專用工裝的鍛件、鑄件等。只需要在零件工裝底板上安裝1組定位接頭，借用快換平臺基體結(jié)構(gòu)，將工裝和零件組合體安裝在基座上即可進行加工。
（2）機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸平臺方案設(shè)計 機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸，其典型結(jié)構(gòu)為工作臺除了一個X向運動以外，還有B旋轉(zhuǎn)軸，剩余XZ方向和A軸均關(guān)聯(lián)主軸。對于此種機床結(jié)構(gòu)，要考慮發(fā)揮B軸大角度的功能優(yōu)勢。機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸的快換平臺系統(tǒng)如圖4所示，在可拆卸換裝平臺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加不同類型的活動模塊。
圖4 機床工作臺有轉(zhuǎn)動軸的快換平臺系統(tǒng)
1—虎鉗組件 2—彎板組件 3—大平臺組件
4—小活動板組件 5—方形基礎(chǔ)座 6—機床工作臺
該快換平臺結(jié)構(gòu)包括：方形基礎(chǔ)座、大平臺組件、彎板組件、虎鉗組件（2套）和小活動板組件，其中大平臺組件與可拆卸換裝平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同。方形基礎(chǔ)座固定安裝在機床工作臺上，剩余結(jié)構(gòu)均為可快速拆卸結(jié)構(gòu)。大平臺組件常用于加工大型零件，平時不安裝在機床上，一般零件都采用彎板組件加工。具體組合方案如下。
1）加工板材?？梢詥为毷褂么笃脚_組件；可以將彎板組件安裝在方形基礎(chǔ)座上，與大平臺組件同時使用，可以同時準備2組零件。
2）加工鍛鑄件。帶工裝零件可采用方形基礎(chǔ)座加小活動板組件；不帶工裝零件可采用虎鉗組件。
除了按材料類型加工外，采用方形基礎(chǔ)座配合各類活動組件，還可以加工各種大擺角結(jié)構(gòu)零件，將原本多面加工零件一次定位即可加工出來。配備該平臺系統(tǒng)的此類臥式數(shù)控機床，基本滿足所有類型零件的加工，極大地擴展了機床的加工范圍。
4 典型零件試切驗證
4.1 典型零件結(jié)構(gòu)
典型零件結(jié)構(gòu)如圖5所示，由3個槽腔結(jié)構(gòu)以及1組帶精孔耳片組成。零件尾部斜腹板面有多個通孔，中間槽腹板為弧形面，零件尾部斜腹板與頭部耳片有位置精度要求。零件毛坯為7050 T7451鋁合金板材。該典型零件是一個扭曲梁類零件，其最大外輪廓尺寸為300mm×120mm×100mm。
圖5 典型零件結(jié)構(gòu)
4.2 制定加工方案
該零件結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但是受到扭曲結(jié)構(gòu)的影響，按照常規(guī)加工方案需多次翻轉(zhuǎn)加工。一般工藝流程如下：銑平面→粗、精加工第一面（帶槽面）→翻面粗、精加工第二面（背面）→卸下工件，留工藝凸臺→第三面盤銑刀銑槽口→在鉆模上鉆、精鉸耳片孔→卸下工藝凸臺。按該方案準備零件，由于需要申請420mm×180mm×100mm尺寸毛坯，并申請專用鉆模，所以零件占機時間長，生產(chǎn)準備成本高，加工效率低。
采用臥式數(shù)控銑床（機床工作臺繞B軸旋轉(zhuǎn)類型）配合零點定位系統(tǒng)，可以在一次裝夾內(nèi)將零件整體加工出來。該典型零件的試驗過程主要針對方形基礎(chǔ)座配合精密虎鉗夾持零件的組合方案。精密虎鉗鉗口具備淺夾持功能，可使毛坯夾持深度控制在3.5mm以下仍具備足夠安全的夾持力。
按照平臺組合方案，零件毛坯在精密虎鉗上夾持后，將虎鉗吊裝至方形基礎(chǔ)座上，通過虎鉗底部的定位接頭與方形基礎(chǔ)座的零點定位單元聯(lián)接，完成整個系統(tǒng)的裝夾工作，裝夾方案如圖6所示。具體工藝流程如下：銑平面和夾持面凸起→數(shù)控銑所有部位，下部留連接筋→鉗工修整零件。
圖6 裝夾方案
1—機床工作臺 2—方形基礎(chǔ)座 3—典型零件 4—虎鉗組件
零件毛坯采用淺夾持方式，可以顯著降低毛坯消耗，同時零件6個方向一次裝夾均可加工出來，除了夾持部位需留足夾持余量和刀具通道外，上側(cè)和左右兩側(cè)均不需要留余量，進一步減少了毛坯的消耗。經(jīng)過計算，按新工藝方案加工，毛坯尺寸僅需為320mm×130mm×100mm，毛坯消耗相對于常規(guī)方案減少45%。
4.3 編程策略
毛坯采用淺夾持方式，粗加工時需要從上往下銑，將毛坯上部材料先去除，保證裝夾穩(wěn)定。因毛坯厚度較大，所以需要從正反面兩側(cè)進行切削，粗銑按每層3mm設(shè)置。具體編程順序為：粗加工零件正面→工作臺轉(zhuǎn)180°，粗加工零件背面→工作臺角度不變，精加工零件背面→工作臺轉(zhuǎn)－90°，加工耳片外形及銑槽口→工作臺轉(zhuǎn)回0°，加工零件正面（包含上緣條外形）→A軸轉(zhuǎn)90°，B軸轉(zhuǎn)90°，鉆耳片孔→精銑下緣條外形，切斷零件留工藝連接筋。
4.4 編程注意事項
為了避免加工過程中出現(xiàn)機床超程或者發(fā)生碰撞機床等問題，必須注意以下幾點。
1）受機床行程限制，要注意控制平臺系統(tǒng)和零件組合體的總高度，防止A軸擺90°時高度方向超程。
2）為了防止B軸轉(zhuǎn)動過程中主軸碰撞工裝和零件，工作臺轉(zhuǎn)動前，需要將主軸高度設(shè)置在高于零件最高點以上100mm。同時，轉(zhuǎn)動過程中通過程序控制，使刀尖點遠離工裝。
3）零件切斷后整體懸空，僅剩余3～4個連接筋條，此時筋條位置不能在同一個平面內(nèi)，筋條相對位置必須設(shè)置為三角形或者四邊形排列，保證連接剛度。
4）VERICUT仿真檢查必須將工裝系統(tǒng)完整地帶入軟件中，保證工裝和零件演示位置與實際加工位置一致，杜絕實際加工中碰撞的可能性[4]。
4.5 實際加工驗證
通過方形基礎(chǔ)座和精密虎鉗組的配合使用，實現(xiàn)了在一次裝夾內(nèi)完成整個典型零件的加工。經(jīng)過實際加工驗證，裝夾準備時間為5min，零件總加工時間為3.5h。新工藝方案零件毛坯去除量相對于傳統(tǒng)方案減少了近一半，僅數(shù)控粗加工時間就節(jié)省了近1h。傳統(tǒng)方案需要裝夾３次，新方案相比傳統(tǒng)方案，零件裝夾時間減少2h以上。經(jīng)過初步計算，新方案相比傳統(tǒng)方案全加工周期時間至少減少5h。除了加工時間和毛坯消耗降低外，零件的加工精度也顯著提升。新方案采用一次裝夾加工，編程不需要考慮零件裝夾誤差，杜絕了接刀誤差，零件表面精度及尺寸精度顯著提高。零件實際加工效果如圖7所示。
圖7 零件實際加工效果
5 結(jié)束語
本文從研究臥式數(shù)控銑床的局限性入手，結(jié)合零點定位系統(tǒng)的應(yīng)用，創(chuàng)新地設(shè)計了兩種新型臥式機床用快換平臺，顯著改善了臥式數(shù)控加工設(shè)備應(yīng)用中的不足之處。立足于快換平臺系統(tǒng)，對典型航空結(jié)構(gòu)件進行加工驗證，證明了快換平臺的高適應(yīng)性?？鞊Q平臺在機床加工范圍擴展、縮短零件加工準備時間及提高零件加工效率方面，均體現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。
利用新型快換平臺，結(jié)合機床結(jié)構(gòu)和功能特點，總結(jié)出一套適用于各類臥式數(shù)控銑床的高效加工方案，可顯著提高臥式數(shù)控銑床的加工能力，促進加工效率的提升。相關(guān)快換平臺、機床應(yīng)用方案和零件加工工藝方案均可以在航空結(jié)構(gòu)件的加工中推廣應(yīng)用，對公司航空結(jié)構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)高效加工起到一定的推進作用。
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