基于双主轴走心车铣复合中心细长轴同步加工技术研究

刘 旭 朱学超 顾丽亚

(苏州市职业大学，江苏 苏州215104)

近年来，随着航空航天、军工、通讯、微特电子等行业的迅速发展，许多高精度、多批量、外形复杂的精密轴类工件的车铣复合加工给机械制造业提出了新的挑战，这类工件中，尤其以长径比较大的细长轴最难加工。由于细长轴长径比大，在切削力作用下会产生弯曲变形与振动，因此细长轴的车铣复合加工目前仍是一个工艺难题。传统的数控加工方法已经无法满足现代产品多样化、个性化的需求，制造业正在向着高效、精密、复合的方向快速发展。图1 所示(配备自动送料机)，日本津上B0326 -Ⅱ是以车为主同时兼备钻孔、雕刻、铣槽、铣齿、攻丝、铰孔、磨削等多工艺车铣复合加工功能的8 轴双主轴走心式车铣复合中心。超长的Z 轴行程，通过送料机将材料送到主轴通孔，主轴夹头自动锁紧，一次送料完成工件的全部加工，无论是加工精度、加工效率都是传统走刀式车铣中心无法比拟的。其强大的双轴(主轴、背轴)控制系统，能实现对工件主背轴不停车同步夹持，特别适合细长轴工件的加工。

1 B0326 -Ⅱ双主轴走心车铣复合中心简介

B0326 -Ⅱ走心车铣复合中心配置双主轴双系统双通道，最大加工棒材直径为32 mm，主背轴具有C 轴和Y 轴功能，能实现完全复合和超难工艺加工。该设备采用双轴排布刀具，通过缩短排刀与对向刀具台的刀具交换时间，多重刀具台重叠，二次加工时直接主轴分度，主背轴同时加工，实现空走时间的缩短，大大提高加工效率。B0326 -Ⅱ走心车铣复合中心最主要特点是具有两个中心对心的双主轴，加工细长轴时，工件由主轴向背轴自动传递，实现主背轴同步加工;选用电导套模式，拥有导套支撑，避免工件弯曲变形，一次送料最长可达320 mm，确保细长轴产品的同轴度。

机床控制系统采用了FANUC 32i 高性能数控系统，该数控系统是集控制单元与LCD 于一体的CNC系统，并具有网络功能，最多控制8 轴。

2 细长轴工件加工工艺分析

图2 所示为某机构中不锈钢细长连接轴零件，毛坯为Φ22 mm 棒材，零件长度L 为，最小处径向尺寸为，长径比L/d =20，属于细长轴类工件。细长轴工件由于本身长径比大、刚性差，高速旋转时受切削力和离心力的影响，极易产生弯曲变形。由于工件的材料是具有很高硬度的不锈钢，加工过程中切削力大、切削温度高，有粘刀现象，刀具极易损坏。特别是当工件接近尺寸要求时，工件直径变小，径向切削力变大，车削时振动变大，容易产生弯曲和变形，表面质量精度和圆柱度难以保证。

2.1 传统加工方法

在传统加工设备上加工细长轴时，通常采用一夹一顶的装夹方式，这种方式散热性较差，容易产生线膨胀，弯曲变形较大，加工起来有一定难度。如图3 所示，工件装夹时在卡盘的卡爪面垫入一开口垫圈1，以减少卡爪和毛坯的轴向接触长度，消除安装时的过定位现象。尾座顶尖将死顶尖换成弹性回转顶尖2，使细长轴在车削加工时由于切削热的影响可以自由伸缩，尽量避免由切削热引起的弯曲变形。车削时刀具的走刀方向采用反向车削法，消除轴向切削力引起的弯曲变形。另外在车削刚性差的细长轴类工件时，还可采用跟刀架车削法增加工件的刚度，减小径向切削力的影响。但是总的来说，采用传统加工工艺加工细长轴工件效果不甚理想，工件废品率较高。

2.2 双主轴走心同步加工工艺

B0326-Ⅱ走心车铣复合中心集车、铣、镗、钻、攻丝等工序于一体，能够将多道工序、多种加工集中。双主轴控制系统，能实现主轴加工完背轴自动接料定位，主、背轴同步加工，有效解决了工件调头二次装夹造成的效率、精度低的问题。如图4 所示，加工细长轴时，主轴夹持送料，电导套扶持支撑，背轴接料夹持，实现三点定位，消除切削力引起的弯曲变形，确保加工精度。主轴侧刀具分度定位后，背轴和主轴对心并沿着工件C-C 处(见图2)自动夹持，无需进行手动二次装夹，避免了由于多次装夹造成的定位误差，确保工件的同轴度和同心度，执行M221 主背轴同步指令后，背轴夹持工件按照主轴的运动轨迹共同运动，大大增加了细长轴的刚性，减小径向切削力的影响，实现同步加工功能。采用B0326 -Ⅱ走心车铣复合中心同步加工技术加工细长轴工件，无论是加工精度还是加工效率，都大大超过了传统加工方法。

结合B0326 -Ⅱ走心车铣复合中心的特点，安排如下加工工艺路线:

车右端面→车M14 ×1.5 螺纹外圆Φ13.8mm 长度至10.5 mm→切Φ7mm2.5mm 退刀槽→车M14 ×1.5螺纹→去M14X ×1. 5 螺纹处毛刺并车外圆Φ至25 mm→背轴沿工件C -C 处夹持，主背轴同步车外圆，总长度至162 mm→背轴沿工件D -D 处夹持，切断(此时工件在背轴)→车左侧M14 ×1.5 螺纹处外圆→切Φ7mm×2.5mm 退刀槽→车M14 ×1.5 螺纹→吐料。

主轴侧:

……

T2727;

M03S2000P1;

M08;

G00X25.0Z20.5;外圆刀定位

M510;等待背轴定位

M56;主背轴同转

M53;主背轴转速确认

M511;等待背轴同步

M221;主背轴同步

M20;背轴夹紧

G04U0.5;

G73U7.0R7.0;

G73P10Q20U0.5W0F0.05;

N10G01X21.30F0.03;

X8.0Z24.5;

Z135.5;

X21.3Z139.5;

N20Z162.0;

M220;主背轴同步结束

……

背轴侧:

……

T9900;背轴和主轴对心

M510;等待主轴定位

M21;背轴夹头松开

G98G01Z5.0F3000;

M511;等待主背轴同步

M221;主背轴同步

M220;主背轴同步结束

……

3 结语

在双主轴走心车铣复合中心上加工零件中，一次装夹后可完成全部要素加工，是一种很有效的加工途径，加工精度高，生产效率高，避免了传统加工工艺中靠手工操作保证加工质量的缺陷，大大降低了废品率。利用双主轴走心车铣复合中心同步功能加工细长轴工件克服了传统加工工艺难题，值得借鉴和推广。

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