01 序言
密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體形狀復(fù)雜且體積較大，GE嚙合型有嚴(yán)格的容積要求。目前大部分密煉機(jī)生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)子體加工依靠人工打磨，打磨時(shí)間久，難以保證精度。筆者公司GE嚙合型轉(zhuǎn)子體采用數(shù)控加工，GE190轉(zhuǎn)子體加工需120h，GE420轉(zhuǎn)子體加工需200h。加工費(fèi)用按350元/h計(jì)算，生產(chǎn)一根GE420需要7萬(wàn)元，加工成本很高，效率很低。一臺(tái)機(jī)床滿負(fù)荷年產(chǎn)50根，質(zhì)量不佳，要人工修形，用樣板和對(duì)輥工裝檢驗(yàn)。因產(chǎn)能不足，一些型號(hào)需人工打磨。GN剪切型轉(zhuǎn)子體全部由人工打磨，效率很低，3～5天完成一根，加工時(shí)間主要取決于鑄造余量。因?yàn)镚N型轉(zhuǎn)子體體積較大，長(zhǎng)度1.2m，直徑700mm，外形復(fù)雜，所以打磨后很難保證達(dá)到設(shè)計(jì)容積要求。各個(gè)密煉機(jī)廠轉(zhuǎn)子體型號(hào)越來(lái)越大，急需通過(guò)數(shù)控加工來(lái)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。
為了解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)子體加工質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套加工工藝，實(shí)現(xiàn)了從打磨到數(shù)控加工的轉(zhuǎn)變，滿足了轉(zhuǎn)子體外形尺寸要求，提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。能實(shí)現(xiàn)以銑代車外圓，減少了劃線次數(shù)，保證數(shù)控銑毛坯和數(shù)控銑合金的基準(zhǔn)統(tǒng)一，提高了數(shù)控銑合金精度，提高了焊接機(jī)器人對(duì)絲速度和精度。
02 零件結(jié)構(gòu)
密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體分為GN剪切型和GE嚙合型（見(jiàn)圖1、圖2），剪切型又分為4棱、6棱和ZZ2型等。基本結(jié)構(gòu)是中間為型面部分，型面由棱頂、棱底、迎膠面、背膠面、側(cè)面、端面和銷孔構(gòu)成，兩端為工藝止口，工藝止口上有工藝平面和工藝孔。GN剪切型轉(zhuǎn)子體的型面特征比GE嚙合型更加復(fù)雜，曲率變化較大，有很多變徑圓角，由一些狹小的窄區(qū)域組成。
圖1 GN剪切型密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體
圖2 GE嚙合型密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體
03 機(jī)床結(jié)構(gòu)
加工設(shè)備為MAZAK E670H 6000U機(jī)床，結(jié)構(gòu)如圖3所示，擁有X、Y、Z、B、C、W和V共7軸，具備五軸聯(lián)動(dòng)功能，X軸最大行程1025mm，Y軸最大行程670mm，Z軸最大行程6170mm，中心架350～700mm。配備有24in（1in=0.0254m）液壓卡盤(pán)；大推力頂尖，承重可達(dá)7t；大扭矩高性能主軸，車削主軸功率45kW，銑削主軸功率37kW；LBB長(zhǎng)鏜桿系統(tǒng)（見(jiàn)圖4），采用的是山特維克可樂(lè)滿減振鏜桿，長(zhǎng)度1.8m，內(nèi)裝長(zhǎng)度0.5m，可鏜長(zhǎng)度1.3m。
圖3 MAZAK機(jī)床結(jié)構(gòu)
圖4 LBB長(zhǎng)鏜桿系統(tǒng)
龍門(mén)式機(jī)床采用的是雙卡盤(pán)，一個(gè)主動(dòng)卡盤(pán)，一個(gè)從動(dòng)卡盤(pán)，裝夾方式上更加方便。圖5所示為龍門(mén)式雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床。
圖5 龍門(mén)式雙轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)床
04 硬件準(zhǔn)備
在生產(chǎn)加工之前，要準(zhǔn)備好3D數(shù)模、后置處理、鑄件毛坯及刀具等。
（1）設(shè)計(jì) 采用UG NX 12.0軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)子體CAD、CAM設(shè)計(jì)。
（2）編程 采用ESPRIT2018軟件，利用銑削模塊、車銑復(fù)合模塊，四軸和車銑復(fù)合后置處理。
（3）毛坯 材質(zhì)鑄鋼，牌號(hào)ZG300-560，余量10～15mm，工藝止口長(zhǎng)度150mm；車銑復(fù)合類設(shè)備工藝止口長(zhǎng)度250mm。
（4）設(shè)備 4m龍門(mén)帶四軸雙轉(zhuǎn)臺(tái)或車銑復(fù)合MAZAK E670H 4000U和6000U機(jī)床。
（5）系統(tǒng) Siemens 840D或MAZAK Smooth。
（6）檢驗(yàn) 采用Geomagic Control軟件分析，ZGScan掃描。
（7）刀具 根據(jù)零件形狀，選用圓刀片仿形加工，刀柄系統(tǒng)選用森泰英格BT50或CAPTO 8接口，刀片R6mm，強(qiáng)度高、成本低。選用澳克泰RPMT1204MOE AP301U刀片，加工鑄鋼成本低且耐用。因轉(zhuǎn)子體涉及型號(hào)眾多，考慮大小和機(jī)床行程，為了提高加工效率，選用圓角盤(pán)銑刀，GE嚙合型轉(zhuǎn)子體根據(jù)型號(hào)大小選用D100mm R6mm或D80mm R6mm盤(pán)銑刀；GN剪切型轉(zhuǎn)子體選用D63mm R6mm盤(pán)銑刀（4刃梳齒、長(zhǎng)度175mm）和D32mm R6mm盤(pán)銑刀（2刃梳齒、長(zhǎng)度175mm），可滿足全部型號(hào)的使用。
（8）輔助 為了實(shí)現(xiàn)螺旋切削，不傷及左右端面，偏置端面5mm，如直接偏置報(bào)警，則使用延伸曲線、剪裁曲線、掃描、剪裁曲面及封閉曲面功能，建造輔助曲面。
05 方藝設(shè)計(jì)
5.1 工藝路線設(shè)計(jì)
GN剪切型轉(zhuǎn)子體加工的工藝路線設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，包括加工坐標(biāo)系和安全銷坐標(biāo)系的設(shè)定，異形曲面的加工工藝路線設(shè)計(jì)，各類基準(zhǔn)槽、孔的設(shè)計(jì)，以及最終結(jié)果的掃描驗(yàn)證。
表1 GN剪切型轉(zhuǎn)子體加工的工藝路線設(shè)計(jì)
5.2 裝夾和校正方式
（1）裝夾方式 龍門(mén)為主、副卡盤(pán)裝夾，雙卡盤(pán)操作最為簡(jiǎn)單；車銑為液壓主卡盤(pán)、頂尖、自定心卡盤(pán)或單動(dòng)卡盤(pán)配法蘭安裝在架子口端，精車架子口保證同心后，中心架架位支撐；如不具備以上條件，可以使用主卡盤(pán)、頂尖，內(nèi)套工裝在內(nèi)孔調(diào)節(jié)，用百分表測(cè)量，保證左右架子口同軸后，輔助中心架支撐，軸向圓跳動(dòng)需在0.1mm以內(nèi)。MAZAK車銑裝夾如圖6所示。
圖6 MAZAK車銑裝夾示意
（2）對(duì)刀基準(zhǔn)點(diǎn) Y軸和Z軸為液壓自定心卡盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心，利用中心鉆，移動(dòng)至長(zhǎng)棱中心點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)子體坐標(biāo)系G54的X值和A角度；移動(dòng)至安全銷劃線點(diǎn)，確定安全銷坐標(biāo)系G55和G56的X值和A角度，因安全銷最后鉆，銑削外形后會(huì)造成劃線點(diǎn)消失，故應(yīng)提前做好坐標(biāo)系記錄。GN400對(duì)刀基準(zhǔn)點(diǎn)在長(zhǎng)棱中心，如圖7所示。
圖7 GN400對(duì)刀基準(zhǔn)點(diǎn)在長(zhǎng)棱中心
5.3 數(shù)控工藝設(shè)計(jì)
（1）銑削外圓 銑削外圓（見(jiàn)圖8）可以有效保證車削和銑削的基準(zhǔn)統(tǒng)一，銑削效率是車削的4倍。如果車削外圓，則先劃線，然后車削外圓和端面。車削外圓后，劃線點(diǎn)消失，需要重新劃線，然后銑削外形[1]。因?yàn)橹貜?fù)劃線會(huì)造成基準(zhǔn)不統(tǒng)一，極易造成車削端面和外形偏差，90%區(qū)域?yàn)榭諈^(qū)域，所以車削加工效率較低，斷續(xù)車削對(duì)刀具和機(jī)床的損耗較大。
圖8 銑削外圓
（2）棱頂試切 加工前，驗(yàn)證基準(zhǔn)點(diǎn)是否準(zhǔn)確，試切4條棱8條線，徑向留量5mm，該工序主要是為了驗(yàn)證毛坯余量分布是否均勻，如不均勻，則可調(diào)整A軸或者C軸角度，保證其余量均勻分布。棱頂試切如圖9所示。
圖9 棱頂試切
如果因個(gè)別原因出現(xiàn)劃線工序基準(zhǔn)點(diǎn)錯(cuò)劃或漏劃的現(xiàn)象，若錯(cuò)劃，則試切后調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸角度，保證加工余量平均；若漏劃，則對(duì)左右端面取中點(diǎn)值，用中心鉆在長(zhǎng)棱處鉆點(diǎn)深度0.2mm，卷尺一端貼在該點(diǎn)，平行于Y軸，測(cè)量長(zhǎng)棱兩端距離，取中點(diǎn)，即可得到X值和A值。無(wú)需重新劃線，機(jī)內(nèi)完成。
（3）棱根部圓加工 該根部圓必須先加工[2]，才能保證工步4的順利加工，否則工步4加工到底部，刀軸朝向中心，會(huì)形成聯(lián)動(dòng)加工時(shí)的滿刃加工，底部出現(xiàn)頂?shù)冬F(xiàn)象，刀具極易報(bào)廢；通過(guò)改變順銑、逆銑，保證進(jìn)刀、退刀位置始終處于空位區(qū)域。設(shè)置退刀為0mm，聯(lián)動(dòng)狀態(tài)下退刀易造成刀具報(bào)廢。預(yù)清根如圖10所示。
圖10 預(yù)清根
（ 4 ）棱部加工 工藝要求鑄造余量 10～15mm，但是有可能呈現(xiàn)分布不均的狀態(tài)，不宜頻繁進(jìn)、退刀，全部采用順銑加工，宜螺旋切削，漸進(jìn)式切削，一次進(jìn)刀一次退刀，實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給速度，加工一次即可，切削深度ap=1mm，效率和質(zhì)量兼得。該工步要注意在左右端面避空5～10mm，防止傷及車削的端面。棱部加工如圖11所示。
圖11 棱部加工
（5）加工半圓 粗加工左右兩端半圓（見(jiàn)圖12），采用聯(lián)動(dòng)行切方式，每加工一行轉(zhuǎn)角度，采用直接連接，不用圓弧形式；為了防止中心切削，刀具中心偏置50%直徑，使用側(cè)刃加工；行距2mm，側(cè)壁和底部預(yù)留余量0.3mm，進(jìn)給速度vf=4000mm/min。
圖12 粗加工左右兩端半圓
（6）區(qū)域粗加工 該區(qū)域采用整體四軸聯(lián)動(dòng)加工，刀軸垂直于中心，采用順銑加工，加工深度采用常數(shù)切削深度，加工距離要控制在底部基圓以上15mm到工步5加工的半圓處，圓角處采用修圓1/4刀具直徑為宜。區(qū)域粗加工如圖13所示。
圖13 區(qū)域粗加工
（7）粗加工基圓 去除基圓余量，保證精加工余量均勻，因該形狀復(fù)雜，聯(lián)動(dòng)和定軸加工均可。
基圓鑄造余量為10mm，因車削架子口會(huì)導(dǎo)致架子口和基圓基準(zhǔn)不同心[3]，出現(xiàn)高低點(diǎn)，故從刀具加工特性考慮，加工余量按15mm。
若采用定軸加工，即定軸分角度加工基圓，則考慮機(jī)床行程和刀具長(zhǎng)度，從GN270至GN400，對(duì)ZZ2型和4棱型轉(zhuǎn)子體進(jìn)行5等分加工。
若采用聯(lián)動(dòng)加工，因會(huì)造成中心頂?shù)?，故行距設(shè)置為刀具直徑的50%，進(jìn)給速度為定軸加工的70%左右。聯(lián)動(dòng)粗加工基圓如圖14所示。
圖14 聯(lián)動(dòng)粗加工基圓
（8）精加工棱根部 螺旋清根，表面質(zhì)量好。粗加工后余量較少，進(jìn)給速度vf=5000mm/min。因采用等高加工方式，故此處切削深度不宜使用平均和優(yōu)化方式。采取殘留高度，最大切削深度1mm，加工殘留高度0.5mm。精加工棱根部如圖15所示。
圖15 精加工棱根部
（9）精加工基圓 精加工所有圓部分，采用聯(lián)動(dòng)行切方式，每加工一行轉(zhuǎn)角度，采用直接連接，因?yàn)槭褂玫氖菆A鼻刀，所以刀具中心無(wú)切削能力。刀具中心偏置50%直徑，防止中心切削，行距1.5mm，進(jìn)給速度vf=5000mm/min。圖16所示為精加工基圓部位。
圖16 精加工基圓部位
（10）銑基準(zhǔn)槽 為了保證數(shù)控銑削毛坯和后序數(shù)控銑削高硬度合金基準(zhǔn)統(tǒng)一，校平旋轉(zhuǎn)軸，確定原點(diǎn)，槽深＝（架子口外徑－內(nèi)徑）/5（mm），深度范圍5～10mm，校正長(zhǎng)度≥100mm，槽寬20mm。
（11）鉆基準(zhǔn)點(diǎn) 因?yàn)楹竺婀ば虿捎蒙皲摵蛷扑购附訖C(jī)器人焊接不銹鋼和高硬合金材料，機(jī)器人需要用焊槍上的焊絲找正零件上的基準(zhǔn)點(diǎn)，保證離線編程的程序原點(diǎn)與機(jī)器人的原點(diǎn)重合，所以使用D10mm中心鉆，在基準(zhǔn)槽正中鉆孔，深度5mm。該方法焊機(jī)對(duì)絲速度快，準(zhǔn)確性高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于找邊校正的方法。
（12）預(yù)鉆安全銷孔 為了后序鉆安全銷找正方便，鉆削直徑10mm、深度20mm，在該工序一起加工，這樣做的好處是，可以避免以往數(shù)控加工再次劃線后，再用搖臂鉆床繼續(xù)加工。銑基準(zhǔn)槽和鉆基準(zhǔn)孔如圖17所示。
圖17 銑基準(zhǔn)槽和鉆基準(zhǔn)孔
（13）精銑最大外圓 GN剪切型轉(zhuǎn)子體使用UV曲面，保證UV面的流向分布合理，隨著曲面流線加工，前傾角度2°，保持刀具側(cè)刃加工，繞X軸，限制在四軸聯(lián)動(dòng)加工。圖18所示為精銑GN剪切型轉(zhuǎn)子體外圓。
圖18 精銑GN剪切型轉(zhuǎn)子體外圓
GE嚙合型轉(zhuǎn)子體因?yàn)槊姹容^寬，所以使用行切更合適，運(yùn)動(dòng)軸較少，可以保證較高的進(jìn)給速度。使用UV曲面，需要使用UG或者CAM內(nèi)部功能做驅(qū)動(dòng)面，保證UV方向是沿著X軸，刀具中心偏置50%直徑，保持刀具側(cè)刃加工，沿著X軸，限制在四軸聯(lián)動(dòng)加工。圖19所示為精銑GE嚙合型轉(zhuǎn)子體外圓。
圖19 精銑GE嚙合型轉(zhuǎn)子體外圓
06掃描驗(yàn)證
6.1 工件安裝和掃描
因?yàn)楣ぜ^重，無(wú)法手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，所以需制作工裝，并將工件安置于旋轉(zhuǎn)工裝上，在加工零件軸向和圓周方向均勻貼上磁片，使用ZGScan掃描儀器對(duì)零件均勻掃描，在Geomagic Control上成像。
6.2 掃描及其要求
掃描后的模型與3D數(shù)字模型進(jìn)行對(duì)比，最佳擬合，對(duì)比結(jié)果應(yīng)該控制在±0.2mm。GK400N-4棱轉(zhuǎn)子體如圖20所示，其3D比較結(jié)果如圖21所示，平均誤差±0.2mm，其中綠色部分在公差范圍以內(nèi)。
圖20 GK400N-4棱轉(zhuǎn)子體
圖21 GK400N-4棱轉(zhuǎn)子體3D比較結(jié)果
07車銑復(fù)合加工裝夾
7.1 工藝止口長(zhǎng)度
因?yàn)辇堥T(mén)式雙轉(zhuǎn)臺(tái)加工設(shè)備是雙夾持，所以工藝止口長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為150mm比較合適。MAZAK E670H 4000U或者6000U等4m或者6m大型車銑復(fù)合類設(shè)備采用的是液壓卡盤(pán)、中心架和頂尖結(jié)構(gòu)，要考慮中心架左端面與產(chǎn)品的碰撞距離，不得干涉。頂尖處的距離應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)，4m設(shè)備為300mm，6m設(shè)備為400mm。
7.2 法蘭盤(pán)夾具和找正
車銑復(fù)合裝夾方式如圖22所示。頂尖頂住，單動(dòng)卡盤(pán)配法蘭盤(pán)，頂尖方向架子口使用百分表校正，軸向圓跳動(dòng)控制在0.1mm以內(nèi)；用中置車刀，旋轉(zhuǎn)45°，CNMG120404金屬陶瓷車刀車削工藝止口，保證表面粗糙度值Ra＜1.6μm，作為中心架架位。
圖22 車銑復(fù)合裝夾方式
08結(jié)束語(yǔ)
1）本工藝方案經(jīng)過(guò)2年的不斷優(yōu)化，以及3年的不斷加工驗(yàn)證，已十分完善。不僅加工質(zhì)量好，無(wú)需樣板和對(duì)輥工裝檢驗(yàn)，經(jīng)3D掃描，公差控制在±0.2mm，而且加工效率非常高，成本比以前節(jié)約85%。GE嚙合型轉(zhuǎn)子體中最大的GE1000T轉(zhuǎn)子體直徑1m、長(zhǎng)度1.3m，加工僅需24h；GN剪切型轉(zhuǎn)子體中最大的GN400-4棱轉(zhuǎn)子體加工僅需16h，適合密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體毛坯大批量高效生產(chǎn)，密煉機(jī)企業(yè)可以直接借鑒使用。
2）該工藝設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體全系列的加工，含GE嚙合型、GN-4棱剪切型、GN-6棱剪切型及GN-ZZ2剪切型等類似結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子體的加工，基本上滿足密煉機(jī)轉(zhuǎn)子體的加工需求，亦可在四軸加工中心和車銑復(fù)合設(shè)備上使用。
3）對(duì)于其他可能相關(guān)工序的考慮，以銑削代替車削外圓、基準(zhǔn)槽和點(diǎn)的設(shè)計(jì)，如果焊接表層為高硬度合金，則考慮使用機(jī)械加工，該工藝設(shè)計(jì)可以有效銜接數(shù)控銑削合金工序，方便焊接機(jī)器人校準(zhǔn)原點(diǎn)等。
