S45数控坐标磨床轮廓加工研究

刘国玺，郭 辉，田 辉，沈 勇

(中航飞机起落架有限责任公司，陕西 汉中 723200)

起落架控制系统主要由无源但可控的阻尼和弹性元件组成半主动控制系统。半主动控制起落架的显著特点是增加了一个可根据需要随时改变油孔面积的变油孔缓冲器。根据需要随时调节油针杆在起落架机构中的位置，达到改变过油孔面积、减小飞机在着陆接地和地面运动时所受的撞击力、减弱飞机颠簸跳动的目的[1]。某型号起落架油针(见图1)材料为30CrMnSiA，最大直径为56 mm，长度为570 mm，加工油槽部位的外圆直径为38 mm，长径比为15∶1，径向油槽(均布4条)沿轴向长度为472 mm，径向最深处为6.64 mm，每条径向油槽由6条线段组成，每段线段与零件轴线构成一定的夹角，槽底与零件回转中心的尺寸公差为±0.05 mm，槽宽公差为±0.02 mm。在加工中心上选用大直径T型铣刀对试加工件径向油槽进行粗、精加工，零件受切削力影响发生弯曲变形，尺寸合格率不到35.2%。

1 工艺流程改进

通过零件在立式加工中心试件加工工艺分析可知，零件在加工径向油槽时，采用一夹一顶浮动支承的装夹方式，优化径向油槽加工流程，选用精密的高速铣削加工设备可有效提高零件尺寸稳定性。工艺流程：领料→分工→车工→车工→车工→钳工→钳工→热处理→车工→磨工→坐标磨→回火→成检→防护入库。热处理前，加工外圆、内孔、螺纹、径向孔等。热处理后，磨削零件外圆作为径向油槽加工的定位基准；在加工中心采用T型铣刀对径向油槽粗加工，槽底预留余量0.3 mm，槽侧预留余量0.2 mm；坐标磨床进行轮廓精加工，保证槽底、槽侧尺寸和表面粗糙度要求。径向油槽尺寸图如图2所示。

2 S45数控坐标磨床径向油槽铣削

2.1 S45数控坐标磨床

S45数控坐标磨床是一台多功能的五轴数控设备，机床附件有数控分度盘、尾座、电动和气动磨头、4 500～80 000 r/min电动磨头、100 000～160 000 r/min气动磨头。S45数控坐标磨床为连续轨迹数控坐标磨床，可实现任意五轴联动功能，其坐标系与普通数控设备相同，遵循右手笛卡尔定则：直线坐标为X轴、Y轴、Z轴；旋转坐标为A轴；附加坐标为U轴、W轴(见图3)[2-4]。加工时，采用该设备高转速及X、Y、Z轴的联动功能，先将机床主轴与行星轮机构偏距设置为0，并锁死主轴，将工件夹持在工作台上(见图4)，T型铣刀直接安装于电动磨头锥柄内进行加工，刀具转速设置为9 000 r/min。

2.2 径向油槽铣削原理

S45数控坐标磨床加工孔时，主轴旋转带动行星轮部件绕主轴进行行星轮运动，行星轮部件上的磨头带动刀具(如砂轮)自转，刀具绕主轴公转。调

整设备U轴偏心量，可在一定直径范围内实现孔、槽加工。油针径向油槽轮廓加工时，应保证刀具与零件加工部位连续接触，即刀具为非行星轮运动。为此，应关闭行星运动功能，否则刀具公转1圈才与零件接触1次，不能形成连续的切削运动。关闭行星运动后，磨头与主轴存在偏心，直接按数控程序进行轮廓铣削加工，磨头的运动轨迹与程序要求的轨迹无法保持一致，加工的轮廓轨迹必然不正确。

S45数控坐标磨床的行星随动功能开启指令：G41.1(向左自动跟踪边界)和G42.1(向右自动跟踪边界)。行星随动的原理：刀具(如砂轮)在铣削加工时，随行星轮装置自动旋转。当运动轨迹方向发生改变时(见图5)，系统自动调整砂轮位置，并消除磨头与主轴偏心造成的磨头运动轨迹与程序轨迹不一致问题，确保刀具始终与零件加工面保持接触。

3 工件轮廓加工

S45数控坐标磨床轮廓加工指令为G140，加工原理与加工中心相似，依靠基本的直线、圆弧指令驱

动机床运动。而坐标磨床优于加工中心的方面在于使用G140功能后，机床能够自动计算出留有加工余量后的机床运动轨迹，在每次运动轨迹走完后，按设定的进刀量进行自动进刀，并能够在进刀后重新计算本次加工的轨迹(见图6)，直到将全部余量加工完。

3.1 数控程序设计

S45数控坐标磨床使用的NC代码不完全等同于加工中心的代码，在编程时不可直接使用CAM编程软件后置处理的程序代码，但可对刀具轨迹运动部分的程序代码进行手工编辑，启用S45识别功能，读取NC代码，驱动机床按正确的方式进行运行(或根据S45数控坐标磨床编程说明书定制专用后处理，直接生成上机程序)。主要运动轨迹代码可以借助CAM编程软件生成，具体编程步骤如下(以UG软件进行讲解)[5]：1)打开UG软件，导入模型，进入加工模块，创建加工坐标系MCS(见图7)；2)创建加工边界：进入建模状态，抽取径向油槽在XY平面的相交线；3)选择加工坐标系、刀具、几何体、毛坯；4)设置部件边界：选择径向油槽与XY平面生成的相交线。设置完成，采用公制三轴后置处理生成刀轨程序代码。

3.2 程序特殊功能指令添加

在轮廓加工循环开始及结束部分，分别添加指令G140及M140，设置行星随动功能指令G42.1，完善后的NC代码如下[6-9]：

G200 设定缺省G功能代码

G54 坐标系选择

T1 砂轮选择

M44 S9000 砂轮转速设定

G00 X467.589 Y-55. 初始位置

G111 W0W轴移动到0点

M03 砂轮转

G140 R1 轮廓加工开始(1)

G01 G41 G42.1 X512. F300. 砂轮左补偿(2)，向右自动跟踪边界[10-11]

Y-12.36

X350.61

G03 X349.99 Y-12.362 I0.0 J-100.

G01 X250.9 Y-12.976

……

G03 X24.493 Y-21.328 I0.0 J-40.

G1 G40 G40.1 Y-55. F300.

G0 X467.

M140 轮廓加工结束

M5

G200

M2

3.3 S45数控坐标磨床参数设定

数控程序导入S45数控坐标磨床后，应设置相应的机床参数，方可驱动NC代码进行轮廓加工，完成零件径向油槽铣削。

1)G140轮廓加工指令参数设置。

打开机床G140代码参数界面(见图8)，设置如下参数：K为零件加工余量，V为每次进刀的切削深度，D为清磨次数。设置完成后，运行程序，设备按运动轨迹自行进行的计算和进、退刀。

2)砂轮参数设置。

打开砂轮参数设置界面(见图9)，设定砂轮编号T及砂轮直径K(若为铣刀，就是铣刀的刀具号和直径值)。程序运行时，才能调用正确的刀具，按程序进行轮廓铣削。

4 结语

油针在起落架机构油气式缓冲系统中作用重大，其径向油槽加工质量的好坏，直接影响到整个起落架缓冲系统的稳定性。本文针对油针工艺件径向油槽加工的工艺难点，提出了合理的工艺流程。在对S45数控坐标磨床加工原理、编程思路进行阐述的基础上，开展了轮廓加工应用研究，提出采用S45数控坐标磨床轮廓铣削优化功能进行径向油槽铣削加工，能稳定加工出合格产品，解决了某型号油针径向油槽的加工难题，也为起落架油针类零件径向油槽高精加工提供了一种加工方案。本文案例也为技术人员在高效使用S45数控坐标磨床方面提供了技术参考。