【摘要】本文通過澳大利亞機車構架牽引座（zuò）的試製加工過程，探索研究了在SIEMENS數控係統和FANUC數控係統控製下的加工中心在斜麵上的螺紋（wén）孔的加工方法。
 
       關鍵詞：加工中心；斜麵加工；銑螺紋
   
       作為（wéi）機（jī）車走形（xíng）部的重（chóng）要部件——構架牽引座，不僅是車體與轉向架聯接的關鍵受力（lì）件，承（chéng）載著（zhe）整個機車的牽引力，其複雜的“八（bā）字形”結構，較高的尺寸精度要求，更是給加（jiā）工帶來了極大的困難。
 
       1. 工藝難點
 
       澳大利亞機（jī）車為了保持與歐美機（jī）車接口的通（tōng）用性，采用（yòng）了“中心銷加八字形拉杆”的（de）牽引結（jié）構，如圖1所示，即在構架上有一八字形的牽引座，其加工（gōng）平麵與機床的Y—Z平麵（miàn）存在10°夾角，構架加工時需要完成牽（qiān）引座10°及350°方向上的（de）兩個平麵及平麵上的兩（liǎng）組四個螺紋（wén）孔M30-6H的加工。但是，牽引座位於構架中部，四（sì）周均有梁體幹涉，其裝配平麵及裝配螺（luó）紋孔與構架的橫向和縱（zòng）向中（zhōng）心又存在一定的角度，不論（lùn）是水平放置還（hái）是豎直（zhí）放置，使用常規（guī）的機械鑽孔攻螺紋方法均（jun1）不（bú）能實現其整體加工（gōng）。另一方麵，如果采（cǎi）用鉗工（gōng）手（shǒu）動攻螺紋（wén），由於該螺紋孔的孔徑尺寸較大，攻螺紋過程中容易導致螺紋孔軸線偏斜，難以保證產品質量。針對（duì）澳大利亞機車構架現狀，我們決（jué）定采用加工中心，通過直角（jiǎo）附件銑頭的旋（xuán）轉配合數控係（xì）統控製用螺紋銑削方式加工該孔。但是，即便如此，該過程還存在以下幾個方麵的困難：
 
      （1）生產現場兩台數控龍門加工中心分別為SIEMENS數控（kòng）係統及FANUC數控係統，此前相關附件銑頭（tóu）隻在0°、90°、180°、270°方向上進行過加（jiā）工作業，並沒有（yǒu）在斜麵（miàn）加工上的成功經驗，附件銑頭轉過一定角度後的（de）加工精（jīng）度需要進一步驗證
  
  
         
                                           圖1
 
      （2）如何實現機（jī）床附件頭與工件坐標係的同
 
      步轉換。從圖1可以看到，牽引座平麵與構架橫向中心線成10°夾角。在（zài）加工過（guò）程（chéng）中，可（kě）以通過機床商設定的程序實現附件頭的轉位，使刀具的中心軸線與待加工平麵保持垂（chuí）直；在編程方麵（miàn），也（yě）可以（yǐ）通過L×sinθ，L×（1-cosθ）（L等於附件頭及（jí）刀長之和，θ為待加工麵與基準麵的夾（jiá）角）計算出平麵（miàn）及孔加工軌（guǐ）跡的起點及終點的（de）點位坐標。但是，這僅限於直線進給的坐標點補償。如果不能有效的實現機床附件頭與工件坐標係的同步轉換（huàn），對於非常規平麵的銑圓、螺旋線加工等必須三（sān）軸聯（lián）動進給的坐標補償就很困難，部分係統自帶加工（gōng）循環也不能正常工作。
 
      （3）螺紋孔加工困難，由於牽引座螺紋孔的（de）軸線與機床坐標係存在夾角，而且孔的有效深度較深，達到60mm，又（yòu）是水平方向鑽孔加工，加工過程中排屑、冷卻均很困難，螺（luó）紋底孔的質量難以保證。其次，牽引座螺（luó）紋孔直（zhí）徑較大，對加工（gōng）中心主軸的（de）要求和影響較（jiào）大（dà），不適宜用（yòng）加工中心攻螺紋；螺紋銑削技術也隻在部分資料中有個大概了解，並
未在生產（chǎn）中實際運用（yòng）過，尤（yóu）其是（shì）斜麵上的螺紋（wén）銑削技術的應用（yòng）更為少見。
 
      2. 解決措施（shī）
 
     鑒（jiàn）於新機床旋轉非常規角度（dù）後的準確性不明，銑螺紋也未在正式產品中使（shǐ）用，必須通過（guò）工藝試驗（yàn）驗證其準確性及有（yǒu）效性。因此我們設計了如下試驗過程。
 
    （1）機床斜麵方向（xiàng）加工精（jīng）度驗證 如圖2所示，在兩種數控（kòng）係統控製下，分別用加工中心主銑頭加工出（chū）一個0°方向基準平麵，然後按程序用主銑頭以斜線進給方式加工一個與基準麵成（chéng）10°夾角的第（dì）二基準麵。然後換直角銑（xǐ）頭（tóu），在0°方向鑽一基準孔，然後轉（zhuǎn）角10°，按計算好的數值，在第（dì）二基準麵的基礎上加工一台階麵（miàn），鑽兩（liǎng）個孔。最後（hòu）上三坐標測量機檢測10°平麵及孔與基準麵、基準孔的角度、位置、孔距，從而判斷機床在斜麵上的加工精度是否滿足工藝要求。經過現場試驗驗證。
 
     （2）坐標轉換驗證 要實現非常規平麵螺紋孔銑（xǐ）削，必須將工（gōng）件坐標係旋轉至與待加工麵相同的角度，才能將斜麵編（biān）程轉化為平麵編程，從而簡化程序編製，減少計算量。
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                       圖 2
 
      在海天加（jiā）工中心（xīn）上，由（yóu）於機床自帶坐標旋轉功能，因此我（wǒ）們選用SIEMENS 840D數（shù）控係統旋轉循環CYCLE_TS（“HE3”，1，-561-263.8，260-5，0，10，0，0，0）將工件坐標（biāo）係旋轉至10°平麵（miàn），並且將坐標原點平（píng）移至兩個螺紋孔的對稱中心，然後進行聯動（dòng）加工，試驗（yàn）證明機床可以正常工作而且刀具及附件頭的長度可以正確補償。對於不能自動（dòng）實現（xiàn）坐標轉換的（de）SIEMENS 840D數控係統加工中心，我們選（xuǎn）用可編程旋轉指令ROT同樣可以實現（xiàn）工（gōng）件坐標係的旋轉和坐（zuò）標原（yuán）點的平移。但是由於刀具和附件（jiàn）頭長度參數會影（yǐng）響運動軌跡的點位正確性，需要對各點位的X及Y向分別進行參數補償，其中在進給方向的補償值為L'=（L1+L2）（1-cosθ）（L1為刀具長度，L2為附件頭進給方向的長度，θ為刀具中心軸線（xiàn）與工件坐標（biāo）係（xì）的夾角，θ≤90°），即最終的刀具長（zhǎng）度補償L=（L1+L2）+ （L1+L2）×（1-cosθ）；另一方向的長度補償為L"=（θ）×sinθ，補償的方向視具體情況而定（dìng）。

       對於FANUC數控加（jiā）工中心，我們首先選用旋轉指令G68，但是在試驗中我們發現在（zài）G68指令控製下（xià），係統（tǒng）仍然是在原加工平麵加工，並不能將工作平麵旋轉至非（fēi）常（cháng）規角（jiǎo）度加工，刀具長度也不能正常補償，因此不能實現非常規平麵的銑圓或者鑽孔循環，也就無法進一步實（shí）現螺紋銑削。換句話說，G68指令隻能實現平（píng）麵旋轉而無法進行柱麵（miàn）的立體旋轉。要完成工作平麵的旋轉必須實現工件坐標係的立體旋（xuán）轉。後來，我（wǒ）們根據機床自帶（dài）坐標旋轉功能，使用G117/G118指令使工件坐標係旋轉後（hòu），重圖 2 新進行三軸聯動銑圓試驗，證實（shí）可行（háng）。調用係統自帶加工循環程序，也可以正常運行。至此，兩台數控龍門加工中心機（jī）床附件（jiàn）頭與（yǔ）工件坐標係的同步轉換實現。
 
      3. 螺紋銑削（xuē）驗（yàn）證（zhèng）
 
     由於（yú）牽引座加工位置特殊，孔徑較大，不論是機動或是手動攻螺紋難度都很（hěn）大。考（kǎo）慮到螺紋銑削不僅擁有優異的表麵質量和尺寸精度，而且加工效率和穩定（dìng）性都較（jiào）好，加工成本低，對機（jī）床要求不高，所以本（běn）次牽引座M30-6H螺紋孔擬考慮用螺紋銑削加（jiā）工。
 
     根據實際（jì）情況（kuàng），我們首先選擇用（yòng）SIEMENS係（xì）統自帶銑螺紋標準循環（huán）CYCLE90及主銑頭進行銑削，通過試驗我們發現，CYCLE90循環（huán）采用的是單齒銑刀加工螺（luó）紋，不僅刀尖磨損極快，而且生產效率低下。後以手動編程方式，改（gǎi）用螺紋梳刀，一刀加工多齒。這樣既能充分利用螺紋銑刀的多個刀齒，又能大大提高生產效率。該過程的三個關鍵點是：①在相鄰兩個加工循環之間接刀，必須精確計算接（jiē）刀點的三個方向的（de）坐標值，然（rán）後在該接刀點平麵上以直線或比底孔半徑小（xiǎo）的圓弧方式切入，不能以螺旋線方式切入，否則（zé）將產生亂牙現象。②每個（gè）加工循環隻進給一個螺距深度，相鄰兩個加工循環之（zhī）間進給整數倍螺距。③必須事先校（xiào）正刀具半徑至（zhì）標準值，確保孔徑不超差。
 
      主銑頭試驗成功後，通過機床坐標轉（zhuǎn）換及坐標平移，將主銑頭螺紋銑削程序移植到附件頭轉位（wèi）加工中，即（jí）可進行非常規平麵螺紋孔加工（gōng）。以海天（tiān）加工中心SIEMENS840D數控係統為例，分四個加工循環銑削牽（qiān）引（yǐn）座螺紋孔，編製如下加工程序：
 
N0010 T1
N0020 M6
N0030 G54 G90
N0040 CYCLE800;取消此前坐標轉換
N0050 CYCLE_TS（“HE3”，1，-561，-263.8，
260.5，0，010，0，0，0）;坐（zuò）標（biāo）係轉換10°，並將坐標原點
平移至牽引座對稱（chēng）中心
N0060 D2;調用刀具補償，無需計算補償參數，係統自
動計算
;A）第一孔
N0070 G00 Y600
N0080 Z=100
N0090 X=-190/2
N0100 Y=0
N0110 M03 S350 F60
N0120 G00 Z=20
N0130 G01 Z=-63；采用順銑，從孔底向孔口進給
；1）第一刀
N0140 G41 G01 X=-190/2+15 Y=0
N0150 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5 I=-15 J=0;以（yǐ）一
個螺距進給一（yī）周
N0160 G40 G01 X=-190/2 Y=0
；2）第二（èr）刀
N0170 G01 Z=-63+3.5*5;相鄰兩循環間進給螺（luó）距整數倍
N0180 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0190 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5+3.5 I=-15 J=0
N0200 G40 G01 X=-190/2 Y=0
;3）第三刀
N0210 G01 Z=-63+3.5*5*2
N0220 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0230 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5*2+3.5 I=-15
J=0
N0240 G40 G01 X=-190/2 Y=0
;4）第四刀
N0250 G01 Z=-63+3.5*5*3
N0260 G41 X=-190/2+15 Y=0
N0270 G03 X=-190/2+15 Y=0 Z=-63+3.5*5*3+3.5 I=-15
J=0
N0280 G40 G01 X=-190/2 Y=0
N0290 G00 Z=100
N0300 CYCLE800;取（qǔ）消坐標轉換
N0310 M30
 
       對於FANUC數控係統，由於係統（tǒng）本身沒有螺紋銑削加（jiā）工循環，隻（zhī）能采用手動編程方式加工，螺紋銑削部分的加工程序與SIEMENS係統類似（sì），不同的僅是坐（zuò）標旋轉部（bù）分（fèn），現將坐標旋轉程序編製如下：
 
N0010 T1
N0020 M6
N0030 G117 C54（選擇（zé）待旋轉工件坐標係G54）
N0040 G118 B10（工件坐標（biāo）係旋轉10°）
 
……
N2050 G117 C54
N2060 G118 B0（附件頭複（fù）位）
N2070 M30
 
 
      與SIEMENS係統不同，FANUC數控係統在（zài）坐（zuò）標旋轉以後，刀具長度及附（fù）件頭長度不能正確補償（cháng），為了保證孔的（de）點位坐標的正確性，在非常規平麵加工時，應先手動將附（fù）件頭X、Y向（xiàng）的補償參數值調整為“0”（Z向可以正確補償，無需更改），然後在手工編製程序時在進給方向上（shàng）加以補償（cháng），即坐標轉換後的Z=Z坐標點（diǎn）±（刀具長度+附（fù）件頭長（zhǎng）度），符號方向視具體（tǐ）情況而定。
 
     4. 結語
   
    通過上述3個步驟驗證，完全實現了SIEMENS數控（kòng）係統和FANUC數控係統加工中心的（de）螺紋銑削，並成功的運用於澳大利亞機車構架牽引座加工。既很好的保證了產品質量，又大幅降低了澳大（dà）利亞機車牽引座（zuò）的加工難度，提高了生產效率，為澳大利亞（yà）機車的成功試（shì）製（zhì）奠定了堅（jiān）實的基礎。