主結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體零件雙車削中心制造單元研究

史秋明，沈琦琳，王　磊，張　亭，陳曉菲

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

主結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體零件雙車削中心制造單元研究

史秋明，沈琦琳，王磊，張亭，陳曉菲

（上海空間推進(jìn)研究所，上海201112）

姿軌控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分零件以回轉(zhuǎn)體為主結(jié)構(gòu)，具有多品種、變批量的生產(chǎn)特點(diǎn)。以該類零件的加工制造單元為研究對(duì)象，在分析單元要素特性要求的基礎(chǔ)上，提出了雙車削中心制造單元的建設(shè)方案，對(duì)單元的配置、工藝穩(wěn)定性和柔性等三個(gè)維度的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，給出了具體的技術(shù)措施。

制造單元；車削中心；加工精度；數(shù)控自動(dòng)編程

0　引言

姿軌控液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分零件以回轉(zhuǎn)體為主結(jié)構(gòu)，具有多品種、變批量的生產(chǎn)特點(diǎn)。為了提升該類零件的加工能力和效率，需要建立適宜的加工制造單元。制造單元是建立在零件族/機(jī)床組分類法基礎(chǔ)上的機(jī)床組合，用于生產(chǎn)特定類別的零部件或產(chǎn)品。有多種構(gòu)建單元、劃分零件族和機(jī)床組的方法，關(guān)注點(diǎn)基本集中在零件和機(jī)床的聚類分析、機(jī)床布局及物流路線分析、機(jī)床負(fù)荷平衡和提高機(jī)床利用率等方面[1-5]。但對(duì)于全新的零件，依然存在無(wú)法有效分類的可能性。相比之下，提高制造單元的加工能力更能保證零件族的加工質(zhì)量和效率。

單元配置決定了加工能力的技術(shù)基線。實(shí)際應(yīng)用中，工藝不穩(wěn)定會(huì)影響單元的加工質(zhì)量和效率，因此必須穩(wěn)定關(guān)鍵工藝技術(shù)的狀態(tài)[6]。從實(shí)際單元的規(guī)劃和運(yùn)作可知，只有解決規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工和管理方面的無(wú)數(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題，才能保證其可靠運(yùn)行[6-9]。提高柔性則能提高單元的反應(yīng)速度和靈活性，為解決各類問(wèn)題奠定基礎(chǔ)?？梢?jiàn)要提升單元的加工能力，需要確定合理的單元配置，并提高單元的工藝穩(wěn)定性和柔性。

1　單元要素的特性要求

Holmberg提出了一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的規(guī)劃方法，即根據(jù)系統(tǒng)彈性和環(huán)境穩(wěn)定性的要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)要素，使系統(tǒng)或過(guò)程的一部分落入系統(tǒng)-環(huán)境坐標(biāo)系的特定象限（見(jiàn)圖1）[10]。

圖1　一種系統(tǒng)/過(guò)程分解法[10]Fig.1　A system/process decomposition method

制造單元的配置、工藝穩(wěn)定性和柔性3個(gè)維度中，配置決定了單元技術(shù)基線，工藝穩(wěn)定性決定了單元加工能力的可靠性，柔性決定了單元對(duì)新零件的適應(yīng)性。前2個(gè)維度用于提供穩(wěn)定的加工能力，其組成或影響要素必須落入圖1的第Ⅲ象限；而柔性技術(shù)既需要提供靈活的交互界面，又需要將界面和核心過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，所以其組成要素必然分為2部分，分別落入第Ⅰ和Ⅲ象限。由此，可確定單元技術(shù)方案的各個(gè)維度對(duì)各自組成要素的要求。

2　單元的規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效地加工主結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體的零件，規(guī)劃制造單元時(shí)應(yīng)遵循以下3個(gè)原則。

原則一：車床主軸數(shù)不小于2。

由于裝夾限制，大部分回轉(zhuǎn)體零件至少需要在車床主軸上裝夾2次，才能完成全部加工內(nèi)容。因此，確定主軸數(shù)應(yīng)不小于2。按此原則配置，單元才能具備流水作業(yè)能力。

原則二：盡可能地簡(jiǎn)化單元和單元工藝流程。

批量生產(chǎn)和產(chǎn)品研發(fā)是制造系統(tǒng)的兩類任務(wù)。二者穿插，工藝流程就可能被插入的急件打斷，造成單元設(shè)備被挪用。通過(guò)將單元機(jī)床數(shù)降到最低，最大限度地簡(jiǎn)化單元及其工藝流程，才能將流程被打斷的可能性降到最低，從本質(zhì)上提高單元運(yùn)轉(zhuǎn)的流暢性。利用復(fù)合加工機(jī)床（如車削中心）實(shí)現(xiàn)工序集中是簡(jiǎn)化單元的基本手段。

原則三：提高單元和機(jī)床的柔性。

數(shù)控車床本身已具有一定的柔性，而配置z或x向的動(dòng)力軸，使之升級(jí)為車削中心，可獲得鉆、銑功能，機(jī)床和單元的柔性將得到進(jìn)一步的提升。更高的柔性令制造單元更能適應(yīng)零件結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)反應(yīng)速度更快。

因此，確定制造單元由車削中心構(gòu)成，包含2個(gè)車床主軸。依據(jù)設(shè)備的普及度和集成度，可形成2個(gè)方案（見(jiàn)表1）。

表1　制造單元的方案對(duì)比表Tab.1　Contrast table for schemes of manufacturing cell

通過(guò)對(duì)表1兩個(gè)方案對(duì)比可見(jiàn)，方案一通用性好，便于構(gòu)建。因此，選擇方案一作為核心系統(tǒng)，建立雙車削中心制造單元，為高質(zhì)、高效地加工姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的零件確定了穩(wěn)定的技術(shù)基線。

3　車銑技術(shù)的工藝穩(wěn)定性

3．1工藝系統(tǒng)配置

車銑復(fù)合加工是實(shí)現(xiàn)主結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體零件加工能力的技術(shù)手段，必須有足夠的工藝穩(wěn)定性才能實(shí)現(xiàn)剛性、穩(wěn)定的加工要求。通?；剞D(zhuǎn)體零件兩端的內(nèi)、外圓結(jié)構(gòu)會(huì)有主次之分，配置刀具時(shí)，1臺(tái)車削中心以加工內(nèi)孔為主，兼顧外圓；另1臺(tái)則反之，以加工外圓為主，兼顧內(nèi)孔。按刀具類型集中分配刀位，刀位數(shù)量不少于12個(gè)，其中動(dòng)力刀位不多于4個(gè)，并預(yù)留2個(gè)備用刀位。這種刀具配置方案既能保證加工能力，又將干涉的可能性降到了最低。圖2為前一臺(tái)機(jī)床的刀架區(qū)域劃分示意圖。

圖2　車削中心的刀架區(qū)域劃分示意圖Fig.2　Division for turret regions of turning center

圖2中用實(shí)線劃分成4個(gè)區(qū)域，A區(qū)和B區(qū)分別安裝內(nèi)孔和外圓車刀，C區(qū)安裝z或x向動(dòng)力刀具，D區(qū)為備用刀位。序號(hào)為刀位號(hào)，共12個(gè)刀位。E為外圓刀座的結(jié)構(gòu)示意。刀桿和刀片盡量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或刀具商的產(chǎn)品目錄選擇，并采用彈簧夾頭作為工件夾具。機(jī)床加工能力評(píng)估情況見(jiàn)表2。

表2　制造單元的機(jī)床加工能力評(píng)估表Tab.2　Assessment of machining capacity of manufacturing cell

3．2加工精度控制

以回轉(zhuǎn)體為主結(jié)構(gòu)零件一般對(duì)車削精度比對(duì)銑削的要求高，兩種加工方法在精度控制上的側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)于車削而言，如果工藝系統(tǒng)的宏觀剛性足夠，工件材料在切削點(diǎn)彈性變形（即讓刀量）的變化就是影響車削精度的主要因素。彈性變形由切削背向力造成，該力的變化導(dǎo)致彈性變形的變化。將刀尖與工件的接觸看作剛性球與彈性體半空間的接觸，則切削背向力及其與切削深度的關(guān)系分別見(jiàn)式（1）和式（2）：

式中：Fp為背向力；E為工件材料彈性模量；v為泊松比；r為刀尖圓弧半徑；d為工件材料在接觸點(diǎn)的彈性變形深度；αp為切削深度；k為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，接觸點(diǎn)的彈性變形深度與切削深度的關(guān)系見(jiàn)式（3）：

式中C為比例系數(shù)。

由式（3）可知，切削深度變化時(shí)，切削點(diǎn)處工件材料的彈性變形也會(huì)變化。切削完成后材料回彈量不同，就會(huì)產(chǎn)生尺寸差異。因此要保證車削精度，必須保證同一個(gè)加工面所有位置（包括臺(tái)階根部）的切削深度的一致性。

對(duì)于銑削而言，控制對(duì)刀精度是保證加工精度的前提。車削中心的銑加工通過(guò)x和c軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖3。圖中O為車床回轉(zhuǎn)中心，r和A為銑刀中心的極坐標(biāo)參數(shù)，r1為直線邊到點(diǎn)O的距離，r2為銑刀半徑。參數(shù)r2精度達(dá)到微米級(jí)，對(duì)加工精度的影響可忽略。

圖3　直線邊的x-c軸聯(lián)動(dòng)銑加工Fig.3　Linkage milling on straight line edge on x-c axis

對(duì)刀誤差是銑刀中心到點(diǎn)O的程序登記距離和實(shí)際距離之差，即r1產(chǎn)生的誤差Δr1。由圖3可求得式（4）。

推導(dǎo)得銑刀中心位置誤差見(jiàn)式（5）：

將式（5）的加工誤差用圖示表示，見(jiàn)圖4。對(duì)刀誤差用Δr1表示，代表理想邊界（虛線）到實(shí)際邊界（實(shí)線）的最小距離。當(dāng)Δr1>0時(shí)，加工出的邊界線如圖4（a）；當(dāng)Δr1<0時(shí)，加工出的邊界線如圖4（c）；只有Δr1→0時(shí)，加工出的邊界線如圖4（b），加工出的線接近于直線，理想邊界和實(shí)際邊界趨近于重合。所以，精密對(duì)刀是保證車削中心銑加工精度的基本條件。

此外，切削參數(shù)集也是提高工藝穩(wěn)定性的要素，參數(shù)集應(yīng)以工藝手冊(cè)和加工經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，通過(guò)切削試驗(yàn)進(jìn)行確定。

圖4　對(duì)刀誤差對(duì)x-c軸聯(lián)動(dòng)加工直線的影響Fig.4　Influence of tool setting error on linkage milling of straight line on x-c axis

4　數(shù)控自動(dòng)編程

數(shù)控自動(dòng)編程的傳統(tǒng)技術(shù)路線見(jiàn)圖5。

圖5　數(shù)控自動(dòng)編程的傳統(tǒng)技術(shù)路線Fig.5　Traditional technical route of NC automatic programming

該路線將刀路規(guī)劃與數(shù)控系統(tǒng)隔離。由于刀軌先于數(shù)控程序生成，可能與數(shù)控復(fù)合循環(huán)指令自帶的刀路規(guī)劃沖突，導(dǎo)致無(wú)法利用復(fù)合循環(huán)，因此程序顯得冗長(zhǎng)。通過(guò)精簡(jiǎn)程序能降低存儲(chǔ)和傳輸要求，便于數(shù)控系統(tǒng)使用，且可讀性得以提升。若采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成精加工指令和復(fù)合循環(huán)指令的拼接，就能實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)數(shù)控程序的自動(dòng)編程。目前主流的零件輪廓輸入方法是基于CAD/ CAM系統(tǒng)的圖形交互輸入，只能依靠參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有限的柔性。如果參照單元加工能力建立零件輸入表格和數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，就能滿足單元所有的柔性變化要求，同時(shí)快速生成數(shù)控程序。建立數(shù)控自動(dòng)編程的新技術(shù)路線見(jiàn)圖6。

圖6　數(shù)控自動(dòng)編程的新技術(shù)路線Fig.6　New technical route of NC automatic programming

數(shù)控程序模板和切削參數(shù)集建立在單元加工能力的基礎(chǔ)上，是車銑加工的數(shù)字化表達(dá)，代表了穩(wěn)定的加工能力，屬于剛性的核心過(guò)程或系統(tǒng)。表格輸入則用于生成工件輪廓，屬于彈性的界面過(guò)程。用開(kāi)源軟件Scilab編寫(xiě)自動(dòng)編程系統(tǒng)處理程序模板、切削參數(shù)集和工件輪廓，可自動(dòng)生成數(shù)控程序。

工件輪廓文件的數(shù)據(jù)行與加工特征一一對(duì)應(yīng)，行內(nèi)的數(shù)據(jù)用空格分隔，因此數(shù)據(jù)文件本身就是一個(gè)表格，可以用Scilab自帶的界面函數(shù)完成“表格”的讀、寫(xiě)和顯示，形成彈性的界面過(guò)程。理論上，加工特征數(shù)量與輪廓文件數(shù)據(jù)行數(shù)一樣都是無(wú)限的，但實(shí)際上還是取決于單元的加工能力。

5　結(jié)論

1） 對(duì)于主結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體類的零件，采用雙車削中心制造單元不但能保證單元柔性，也能保證單元的加工能力。

2） 以數(shù)控程序模板和切削參數(shù)集為基礎(chǔ)，結(jié)合工件輪廓文件，采用數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單元加工程序的快速生成，便于數(shù)控系統(tǒng)使用，提高程序可靠性和可讀性。

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（編輯：陳紅霞）

Research on double turning center manufacturing cell for parts with rotational main structure

SHI Qiuming,SHEN Qilin,WANG Lei,ZHANG Ting,CHEN Xiaofei
（Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China）

The main structure of most of the parts for attitude and orbital control engine is solid of revolution,which has manufacturing characteristics of multispecies and multi-variables.Taking the manufacturing cell for these parts as the object of study in this paper,and based on the analysis of the features of cell elements,a scheme to build the double turning center manufacturing cell is presented. The implementation technology of the cell's allocation,stability of fabrication and flexibility in three dimensions is researched.The concrete technical measures are provided in this paper.

manufacturing cell;turning center;machining precision;NC automatic programming

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0079-05

2016-03-16；

2016-05-18

史秋明（1975—），男，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室和閥門(mén)工藝技術(shù)