0 引言

　　隨著軋鋼設備朝著大型化、連續作業化和高速化方向發展，對軋機主機的安全過載保護要求越來越高，對軋機主傳動用十字萬向傳動軸要求也越高。其中SWC型十字萬向接軸關建零件法蘭叉頭采用整體式結構，由于其型腔曲面為復雜空間曲面，其制造水平的高低直接影響到整個十字萬向接軸質量。長期以來其型腔曲面完全依賴鑄造成型，由于毛坯曲面不規范和鑄件變形，裝配后影響十字包轉動，傳統的解決方法是：先對產品進行試裝，對影響裝配和轉動的部位做記號后憑經驗上機床加工，修完后再裝配，若達不到要求重新上機床修型，這樣不僅費時費力，且零件強度也無保證。運用NX CAM技術在數控機床上對鑄件復雜曲面進行檢查及修型，巳成功地用于多臺1450軋機項目的十字萬向接軸制造。

1 CAD建模

　　1.1 法蘭叉頭結構特點及工藝分析

　　SWC型法蘭叉頭結構如圖1所示，工件毛坯為鑄件ZG42CrMo，法蘭盤直徑D=Φ550mm，軸承孔直徑d=Φ255N6mm，型腔曲面相對于法蘭盤中D中心線、軸承孔Φd中心為對稱結構，型腔由兩段R圓弧，且弧面呈30°、17°包絡，包絡的弧面與兩側45°斜面相交，腔底為7°斜面。該產品使用傾角大15°相互運動件容易產生干涉，由于鑄造時漲箱、重要尺寸產生較大誤差等原因的影響，致使實際鑄造叉頭可能存在與相關件嚴重干涉（鑄造時重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差大）或者重要部位的強度減弱（鑄造時重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差小）的問題，從而對產品的生產和質量造成嚴重影響。

　　制造難點分析：

　　1)由于鑄造實際尺寸與設計尺寸差距很大，有的部位多達8-10mm，有些部位又有缺漏，因此確立合理的工步是該型腔曲面撿查及加工的關鍵。

　　2)法蘭叉頭鑄造毛坯零件加工余量不均勻，在加工中材料去除量較大，因此提高加工效率是一個難點。

　　3)法蘭叉頭的型腔面一次走刀中去掉的金屬體積較大，必須考慮刀具壽命，減少停機換刀時間。因此選擇合適的刀具參數，使用合理的切削用量尤為重要。

4)法蘭叉頭加工是在三坐標數控鏜床上加工自由曲面，加工質量和效率對加上程序要求高。

　　1.2 建立數字模型

　　將設計提供的利用三維CAD技術及先進的有限元分析軟件優化后的三維模型stp文件導入到NX4中，在NX4建模模塊中將法蘭叉頭曲面分成A、B、A面。

2 確定數控加工工藝方案

　　2.1 劃分數控加工工步

　　由于型腔曲面鑄造公差大，加之鑄件漲箱變形，造成毛坯余量不均勻、不對稱，為了提高加工效率，先將型腔曲面分割成A、B、A面，按單邊留量6mm，將型腔曲面走刀檢查一遍，確定工件余量，再根據余量情況制定加工流程。

　　1)如果觀察沒有余量，可加大機床轉速和走刀，快速完成型腔曲面的檢查。

　　2)如果A、B面均有加工余量，量大則先執行A、B面分別粗加工程序，再執行A、B面同時精加工程序；量小則直接執行A、B面同時精加工程序。

　　3)如果A面或B面單邊有加工余量，則只執行A面或B面粗、精加工程序。

　　2.2 選擇加工設備

　　宜選擇帶回轉工作臺的數控鏜銑床，結合工件外形尺寸及重量，考慮到該零件只對其型腔面進行修形，綜合機床的加工能力及主軸轉速、進給速度等性能，選擇TK6111數控鏜床有利于提高效率。

　　2.3 選用加工刀具

　　由于型腔曲面的加工表面質量要求不高，粗、精加工用同一把刀，選擇額75°可轉位面銑刀，刀具直徑Φ160，該刀具可改變每層之間的波峰殘留，減少分層密度，同時可采用大進給量，效率高、性能可靠。刀片可換，即使在長時間切削中磨損后，暫停程序換刀片，此時刀具長度等參數均未變，然后繼續執行程序即可。

　　2.4 確定切削用量

　　為了保證切削速度均勻、切削載荷較穩定，減少刀具、機床所受的沖擊，同時提高加工效術，以“小切深大走刀”的高速切削原理來規定切削用量。

　　切削深度：以數控程序分層加工需要達到的要求，粗加工ap取5～8mm，精加工ap取1～2mm；切削速度Vc=300m/min；主軸轉速：n=1000r/min；進給速度：f=1000～1500mm/min。

　　2.5 設計數控程序

　　編制加工法蘭叉頭型腔曲面程序是數控加工的重要環節，優化刀具路徑、選擇合理進退刀方式對加工質量和效率至關重要。編程采用NX4平臺進行自動編程方式。為保證加工連續性和提高效率，采取通過程序自動根據毛坯具體情況分刀進行數控程序的設計。

　　2.5.1 確定編程原點和加工坐標系

　　按照加工坐標系MCS和wcs坐標系重合的原則，以ΦD和Φd的中心交點為定G54，這樣在加工過程中能盡量減少碰撞發生，同時方便對刀及加工前的程序檢查。

　　2.5.2 設計數控程序加工路線

　　在NX CAM中的操作對應每個加工工步。根據工序的劃分，在NX CAM中建立程序組，并將程序組名規范化，避免因程序多導致操作失誤。根據選用的刀具創建刀具模型參數和加工參數（如圖6所示）。創建各工序的工件包括零件、毛坯和加工坐標系等加工幾何體和操作。

　　2.5.3 設計數控程序刀具路徑

　　NX加工模塊中提供了三軸加工和多軸加工模式，法蘭叉頭的加工要求以及加工機床的功能，我們采用CAVITY MILL（型腔銑）方式，用法蘭叉頭的自由曲面作為驅動面，以平行于水平面的不同深度平面與型腔面相截，產生的截面線再偏置一個刀具半徑，產生刀具路徑。這樣通過分層的數控程序即（2.5軸聯動加工）生成刀具軌跡，避免加工中扎刀現象，盡量多的運用圓弧插補來加工型腔面的輪廓，使得走刀路線大大縮短，加工時間縮短，且加工的表面光度好，使得后續的打磨工序工作量減少。

　　2.5.4 后量處理

　　機床后置模塊的作用是生成可使用的G代碼程序。在實際運用中，發現在圓弧插補上用IJK方式后置處理的G代碼在機床上模擬報警出錯，其原因為數據計算累積錯誤。最后后置處理器改為CR的方式，產生的程序運行通過。

　　2.5.5 加工仿真及程序校驗

　　為了保證程序的可加工性，減少實際試制時間，節約費用，將生成的加工程序在軟件上進行仿真加工。通過仿真可對程序進行分析，防止在加工中出現刀具軸振動、過切及碰撞，扎刀現象。對于仿真結果不理想的程序則可返回加工模塊對加工方式、參數等進行修改，直至仿真結果符合加工要求。

　　2.5.6 數控系統軌跡模擬

　　透過敏控蒜統的圖形顯示功能顯示刀具軌連運行情況，這種方法快而準確，該測試可在各種倍率模式有效時進行。由于所有運動在控制器的圖形模式下進行測試，這樣就減少了檢查任務量，且程序也易跟蹤。

　　2.6 程序傳輸和運行

法蘭叉共根據前面劃分，從而產生了2～6個程序。這些程序的程序段數多達8000，在文件大小上，其中一個達到4M字節，可尉U盤將程序拷入機床中。

　　程序在運行時，由于機床的NCU內存太小，無法將程序裝載入后進行加工，所以采用數控機床自動模式下，通過硬盤方式進行邊傳程序邊加工。根據實際情況，在一些加工程序段上通過倍率開關優化指定的切削速度和進給速度。

3 結論

　　SWC零法蘭叉頭的數控加工解決了SWC型十字萬向接軸的裝配瓶頸，以往由于法蘭叉頭型腔曲面的不規范，裝配一套SWC型十字萬向接軸往往要花費3～4天的時間，通過數控機床的檢查及加工使型腔曲面完全符合理想模型，解決了法蘭叉頭轉動干涉問題，提升了工藝水平，提高了生產效率，節約了成本，也為今后開發SWP型法蘭叉頭的數控加工積累了經驗。