基于零点系统的卧式数控铣床高效加工技术

孙家冬，杨巍，孙国雁

沈阳飞机工业（集团）有限公司 辽宁沈阳 110034

1 序言

飞机结构件的材料类型主要有铝合金、钛合金、不锈钢、高强度钢及复合材料等，其结构形式主要有框、梁、接头、壁板和肋等，其中大部分金属材料零件需要通过数控切削的方式进行加工。这些金属结构件的毛坯形式也是多种多样的，例如板材、锻件、铸件和型材等。为了适应多种零件结构和毛坯形式以及多品种小批量的生产特点，同时追求优质、精益和高效生产，企业需要不断配备先进的加工设备、附件装备，寻求更加高效的加工方式和方法，以技术进步带动生产效率提升，从而不断满足市场需求。

目前沈飞公司卧式数控铣床受机床及工作台结构形式限制，无法完全发挥设备能力。具体表现为：加工零件产品毛坯形式单一，只能加工板材类零件；机床角度应用受限，无法加工大角度零件；加工方案设计思路受限；工艺准备时间长，机床利用率低，快换系统应用能力弱。若以上问题不加以解决，必然导致机床性能整体受限，阻碍加工效率的提升。

本文通过研究卧式数控铣床的局限性，结合零点定位系统，创新性地设计一种新型卧式机床工作台形式，改善了上述设备应用中的不足之处。立足于新平台系统并结合实际加工验证，总结出一套适用于卧式数控铣床高效加工的的设备应用方案和零件加工工艺方案，可显著提高卧式数控铣床的加工能力，促进加工效率的提升。

2 常用工作台附件

目前公司多款卧式铣床为AB轴或虚拟AB轴结构。按主轴和工作台运动方式来划分，存在两种机床形式：一种是主轴关联机床AB轴，或者是虚拟AB轴，主轴做YZ向运动和AB向旋转，工作台仅做X向运动，无转动轴；另一种是主轴关联机床A轴，主轴做YZ向运动和A向旋转，而工作台做X向运动，同时绕B轴旋转。这两种结构类型中，工作台均是独立的。除了大型卧式铣床本身自带翻板结构外，一般中小型卧式铣床大多需要单独配备功能方箱或平台。

典型机床工作台附件如图1所示，包括带真空吸附功能的角铁式方箱、正方形带贴板式方箱。其中角铁式方箱多用于工作台无旋转轴的机床，比较常见；正方形贴板式方箱在两种机床平台结构中都可使用。正方形贴板式方箱由一个基体座和多个贴板组合而成，其中贴板存在两种结构形式：一种是采用普通的真空吸附结构，用压板或沉头螺栓压紧零件，这种结构是当前最常见的贴板类型，在角铁式方箱中大多也采用此类结构[1]；另一种是采用模块化真空结构，用反旋拉钉拉紧零件。反旋拉钉结构的工作原理是：拉钉结构平时藏在真空板内，使用时会自动弹出。零件采用定位销定位后，拉钉即可与毛坯上的螺纹孔对正，采用内六角扳手拧紧拉钉，完成零件的装夹和定位。

图1 典型机床工作台附件

由图1可以看出，两种方箱形式均存在一些局限性。由于两种结构的方箱都只能加工板材零件，所以机床使用角度受到限制，零件定位和夹紧均需要在平台上进行，机床停机时间长，导致机床性能受限，阻碍加工效率提升。

3 快换平台系统设计

通过研究卧式数控铣床的局限性并结合零点定位系统，设计两种新型卧式机床快换平台系统，以改善卧式铣床应用中的不足之处。新平台可显著提高卧式数控铣床的加工能力，促进加工效率的提升。

3.1 零点定位系统

航空结构件多品种、小批量共线生产模式，在生产过程中同一台机床需要频繁更换零件。在不同零件切换或者同一零件翻面加工过程中，机床必须停下来进行装夹准备，占用大量的机床加工时间[2]。经过统计，结构件加工过程中，装夹时间约占总加工时间的14%左右，准备时间显著阻碍了机床利用率的提升。由此，基于零点定位系统的快速换装技术应运而生，它可以实现工装夹具的快速更换，装夹时间占比缩短至1.5%左右，显著提高机床的加工效率。

零点定位系统属于常锁机构，通气时打开，断气时锁死。当给零点定位系统接通液压或者气压时，压力会通过活塞压缩下面的弹簧，钢珠会往两侧散开，此时才可以取出定位接头。当把动力源切断时，弹簧往上顶动活塞，活塞把钢珠向中间收，从而夹紧钢珠。

零点定位系统结构如图2所示。零点定位系统安装在机床工作台上，定位接头安装在夹具底面或者夹具托盘底面，其重复定位精度主要通过定位孔保证[3]。装在夹具底面的定位接头有3种，分别是定位接头、削边接头和紧固接头。其工作原理是：用气压使模块张开，夹紧则是依赖内部的强力弹簧，正常工作时不需要接通气源。快换系统由不同的模块组成，本体一样但是接头不同，属于典型的一面两销式定位。

图2 零点定位系统结构

零点定位系统的特点和优点是：定位与夹紧同时进行，重复定位精度高，可达5μm以内；可以自动找正中心；夹具托盘可以任意角度倾斜安装，吊装方便；钢珠可在滚道内自由滚动，间隙足够大；结构自带吹屑功能，除屑方便；夹持力大，最高可达45kN；结构使用寿命长。

3.2 快换平台设计方案

针对卧式数控铣床的局限性并结合零点定位系统特点，同时为了满足不同卧式机床种类需求，设计了两套快换平台方案：第一套设计方案是针对主轴关联机床AB轴，或者是虚拟AB轴，主轴做YZ向运动和AB向旋转，工作台仅做X向运动，无转动轴的卧式机床类型（简称工作台无转动轴类机床）；第二套设计方案是针对主轴关联机床A轴，主轴做YZ向运动和A向旋转，而工作台做X向运动，同时绕B轴旋转的卧式机床类型（简称工作台有转动轴类机床）。

（1）机床工作台无转动轴平台方案设计 机床工作台无转动轴，仅有一个X向运动，所有转轴均与主轴关联。对于此种机床结构，尝试设计一个可拆卸换装平台系统（见图3）。该系统以角铁式方箱作为固定基体结构，在此基础上集成6组零点定位单元，同时配备2组完全相同的真空快换活动板，活动板背面安装6个定位接头。真空快换活动板按序排列定位孔和螺纹孔，周边密布气密带槽。每1块活动板均配备3组真空吸附系统，一次准备可以同时安装3个零件，显著提高机床的加工效率。工作台基体两侧设计V形粗找正辅助安装模块，同时在模块斜面上配备高度可调的钢珠滚轮。活动板下侧同样采用V形设计，吊装时，活动板利用自身重力落入基体粗找正模块，保证定位接头与零点定位单元快速对正并完成锁紧工作。

图3 可拆卸换装平台系统

为了进一步缩短准备周期，将活动板上定位孔按行和列标注距离尺寸，以最右侧一列孔和最下侧一行孔交点处设置为固定零件加工坐标系。加工不同零件也都采用同一个加工原点，确保活动板连同零件安装在基体上后，不需要额外的拉直、找正和对原点等准备工作，就可以直接进行切削加工。平台具体的使用流程如下。

1）机床使用一块活动板加工一个或多个零件，同时在机床外部第二块活动板上准备其他零件。

2）在第一块活动板上的零件加工完成后，将活动板卸下，将已准备好的第二块活动板安装在基体上。

3）调用程序加工第二块活动板上的零件。同时在机床外部卸下第一块活动板上的零件，并重新安装新零件。

按照以上步骤，加工往复循环，可以保证零件加工的准备时间仅剩吊装工装的时间，准备时间显著降低。经过实际试验验证，1个零件的准备时间由35min降低为5min以内。

以上方案验证了采用通用活动板加工板材零件的可行性。除了加工板材零件外，该系统还可加工带专用工装的锻件、铸件等。只需要在零件工装底板上安装1组定位接头，借用快换平台基体结构，将工装和零件组合体安装在基座上即可进行加工。

（2）机床工作台有转动轴平台方案设计 机床工作台有转动轴，其典型结构为工作台除了一个X向运动以外，还有B旋转轴，剩余XZ方向和A轴均关联主轴。对于此种机床结构，要考虑发挥B轴大角度的功能优势。机床工作台有转动轴的快换平台系统如图4所示，在可拆卸换装平台系统的基础上，增加不同类型的活动模块。

图4 机床工作台有转动轴的快换平台系统

该快换平台结构包括：方形基础座、大平台组件、弯板组件、虎钳组件（2套）和小活动板组件，其中大平台组件与可拆卸换装平台系统结构相同。方形基础座固定安装在机床工作台上，剩余结构均为可快速拆卸结构。大平台组件常用于加工大型零件，平时不安装在机床上，一般零件都采用弯板组件加工。具体组合方案如下。

1）加工板材。可以单独使用大平台组件；可以将弯板组件安装在方形基础座上，与大平台组件同时使用，可以同时准备2组零件。

2）加工锻铸件。带工装零件可采用方形基础座加小活动板组件；不带工装零件可采用虎钳组件。

除了按材料类型加工外，采用方形基础座配合各类活动组件，还可以加工各种大摆角结构零件，将原本多面加工零件一次定位即可加工出来。配备该平台系统的此类卧式数控机床，基本满足所有类型零件的加工，极大地扩展了机床的加工范围。

4 典型零件试切验证

4.1 典型零件结构

典型零件结构如图5所示，由3个槽腔结构以及1组带精孔耳片组成。零件尾部斜腹板面有多个通孔，中间槽腹板为弧形面，零件尾部斜腹板与头部耳片有位置精度要求。零件毛坯为7050 T7451铝合金板材。该典型零件是一个扭曲梁类零件，其最大外轮廓尺寸为300mm×120mm×100mm。

图5 典型零件结构

4.2 制定加工方案

该零件结构虽然比较简单，但是受到扭曲结构的影响，按照常规加工方案需多次翻转加工。一般工艺流程如下：铣平面→粗、精加工第一面（带槽面）→翻面粗、精加工第二面（背面）→卸下工件，留工艺凸台→第三面盘铣刀铣槽口→在钻模上钻、精铰耳片孔→卸下工艺凸台。按该方案准备零件，由于需要申请420mm×180mm×100mm尺寸毛坯，并申请专用钻模，所以零件占机时间长，生产准备成本高，加工效率低。

采用卧式数控铣床（机床工作台绕B轴旋转类型）配合零点定位系统，可以在一次装夹内将零件整体加工出来。该典型零件的试验过程主要针对方形基础座配合精密虎钳夹持零件的组合方案。精密虎钳钳口具备浅夹持功能，可使毛坯夹持深度控制在3.5mm以下仍具备足够安全的夹持力。

按照平台组合方案，零件毛坯在精密虎钳上夹持后，将虎钳吊装至方形基础座上，通过虎钳底部的定位接头与方形基础座的零点定位单元联接，完成整个系统的装夹工作，装夹方案如图6所示。具体工艺流程如下：铣平面和夹持面凸起→数控铣所有部位，下部留连接筋→钳工修整零件。

图6 装夹方案

零件毛坯采用浅夹持方式，可以显著降低毛坯消耗，同时零件6个方向一次装夹均可加工出来，除了夹持部位需留足夹持余量和刀具通道外，上侧和左右两侧均不需要留余量，进一步减少了毛坯的消耗。经过计算，按新工艺方案加工，毛坯尺寸仅需为320mm×130mm×100mm，毛坯消耗相对于常规方案减少45%。

4.3 编程策略

毛坯采用浅夹持方式，粗加工时需要从上往下铣，将毛坯上部材料先去除，保证装夹稳定。因毛坯厚度较大，所以需要从正反面两侧进行切削，粗铣按每层3mm设置。具体编程顺序为：粗加工零件正面→工作台转180°，粗加工零件背面→工作台角度不变，精加工零件背面→工作台转－90°，加工耳片外形及铣槽口→工作台转回0°，加工零件正面（包含上缘条外形）→A轴转90°，B轴转90°，钻耳片孔→精铣下缘条外形，切断零件留工艺连接筋。

4.4 编程注意事项

为了避免加工过程中出现机床超程或者发生碰撞机床等问题，必须注意以下几点。

1）受机床行程限制，要注意控制平台系统和零件组合体的总高度，防止A轴摆90°时高度方向超程。

2）为了防止B轴转动过程中主轴碰撞工装和零件，工作台转动前，需要将主轴高度设置在高于零件最高点以上100mm。同时，转动过程中通过程序控制，使刀尖点远离工装。

3）零件切断后整体悬空，仅剩余3～4个连接筋条，此时筋条位置不能在同一个平面内，筋条相对位置必须设置为三角形或者四边形排列，保证连接刚度。

4）VERICUT仿真检查必须将工装系统完整地带入软件中，保证工装和零件演示位置与实际加工位置一致，杜绝实际加工中碰撞的可能性[4]。

4.5 实际加工验证

通过方形基础座和精密虎钳组的配合使用，实现了在一次装夹内完成整个典型零件的加工。经过实际加工验证，装夹准备时间为5min，零件总加工时间为3.5h。新工艺方案零件毛坯去除量相对于传统方案减少了近一半，仅数控粗加工时间就节省了近1h。传统方案需要装夹3次，新方案相比传统方案，零件装夹时间减少2h以上。经过初步计算，新方案相比传统方案全加工周期时间至少减少5h。除了加工时间和毛坯消耗降低外，零件的加工精度也显著提升。新方案采用一次装夹加工，编程不需要考虑零件装夹误差，杜绝了接刀误差，零件表面精度及尺寸精度显著提高。零件实际加工效果如图7所示。

图7 零件实际加工效果

5 结束语

本文从研究卧式数控铣床的局限性入手，结合零点定位系统的应用，创新地设计了两种新型卧式机床用快换平台，显著改善了卧式数控加工设备应用中的不足之处。立足于快换平台系统，对典型航空结构件进行加工验证，证明了快换平台的高适应性。快换平台在机床加工范围扩展、缩短零件加工准备时间及提高零件加工效率方面，均体现出了较大优势。

利用新型快换平台，结合机床结构和功能特点，总结出一套适用于各类卧式数控铣床的高效加工方案，可显著提高卧式数控铣床的加工能力，促进加工效率的提升。相关快换平台、机床应用方案和零件加工工艺方案均可以在航空结构件的加工中推广应用，对公司航空结构件的优质高效加工起到一定的推进作用。

专家点评

本文针对卧式数控铣床的结构局限性，结合零点定位系统，创新设计两套快换平台方案，并结合典型零件实际加工验证，总结出一套快捷高效的设备应用和零件加工方案，适用面广，通用性强，大幅提升了设备加工能力。

文章结构合理、内容充分，创新之处是拓宽了卧式数控铣床的应用和加工范围，基于零点定位系统的换装平台技术，实现了工装夹具的快速更换，缩短了零件的装夹和辅助时间，显著提高了加工效率。