多工具联动控制机械加工技术

1 引言

　　长期以来，提高产品的加工效率一直是制造行业用来降低成本、提高企业竞争力的重要手段。自1952年第一台数控铣床问世以来，数控机床在制造行业中体现出了它巨大的优势．尤其在制造的高效方面深受企业青睐闻。数控组合机床高效加工技术的发展，目前主要体现在两个方面：(1)通过改进机床如采用高速切削、刀具路径优化、刀具结构优化及工艺优化等来提高单台机床的加工效率；(2)根据工件加工需要，将多台数控机床组成自动生产线形成多刀具、多工位、多工序同时加工的生产模式。

　　通过改进单台机床性能来提高加工效率是目前数控组合机床发展的一个重要方向。高速切削闻(HSC—High Speed Cutting)技术是一种切削速度比常规切削速度高(5～lO)倍的先进的制造技术，其加工效率高、成本低、加工范围广，目前该技术得到了大力发展，为提高机床加工效率提供了基础性条件。刀具路径优化是通过改进相应的算法来得到更加合理的刀具轨迹，从而起到提加工品质和效率的作用。通过缩短机床的换刀时间来提高机床的工作效率也是目前一个发展方向，在加工过程中，装卸工件、定位、换刀等所占的加工时间也是一个不可忽视的问题，通过合理地刀具结构设计和快速自动换刀来减少机床换刀时间可以大幅度地提高加工效率。根据工件加工需要，将多台数控机床组成自动生产线形成多刀具、多工位、多工序同时加工的生产模式也逐渐被广泛地应用于生产中。根据加工工艺的需要，每台数控机床完成一道加工工序，通过流水作业的方式其工作效率是普通机床的几倍甚至是几十倍。随着通用部件的经标准化和系列化，可根据实际需要灵活配置，能有效地缩短专用机床的设计和制造周期，并可方便快捷地组成自动生产线，具有模块化、柔性化、数控化、高速化、可重构、智能化等特征阳。然而，在针对不同类型工件时，机床的工作效率还可以得到更高的提升。将生产线上常用的多刀具和多工位应用于单台机床上，使多刀具或多工位同时联动工作，一次加工多个工件的方式能使加工效率更高。提出一种多工具联动控制机械加工技术，包括单工位多工具和多工位多工具联动控制机械加工技术，用于针对具有回转特征曲面和径向对称分布特征曲面的工件高效加工力1132，并分析其关键技术。以轮毂曲面和不锈钢电水壶曲面的抛光加工为例，研发了基于该技术的单工位多工具联动控制机械抛光机床和多工位多工具联动控制机械抛光机床。

2 多工具联动控制机械加工技术

　　2.1 定义

　　单工位多工具联动控制机械加工是针对具有回转特征和径向对称分布特征曲面工件在单一工位采用多个刀具同步进行加工的一种加工技术。以单工位多磨具抛光加工为例，如图1所示，00’为工件曲面的中心轴，三个抛光磨轮沿OO’呈径向对称分布，在抛光加工过程中，各磨轮位置、姿态沿00’成径向对称并且保持同步，在同一工位上同步对工件曲面抛光。

　　多工位多工具联动控制机械加工技术是指在工作台上分布多个工位，在各个工位上分别采用单个刀具对工件同步进行加工的技术。以多工位多工具联动抛光加工为例，如图2所示。三个工位和相对应的三个抛光轮呈圆周镜像对称分布，加工时各工件的姿态同步调整，抛光轮在三个工位上对工件进行同步抛光。

　　2.2 优点及其关键技术

　　单工位多工具和多工位多工具联动控制机械抛光具有能大幅提高效率、易规划刀具、生产灵活等特点。能大幅提高回转特征和径向对称分布特征曲面工件的加工效率，多工具同时抛光，理论效率随工具数量增加而增加；工件和各磨具的径向对称特性，抛光加工时可按单刀具模式规划刀具轨迹；易于组成生产线，生产灵活。将工件的待抛光表面根据形状特征进行分片，每台多工具抛光机床采用一种专用磨具，只针对工件的一个特征分片区域抛光加工。多工位多工具联动控制机械抛光具有高效、易控制、适应大批量生产等优点。此种加工方式一次能加工多个工件，加工效率可以大幅度提高，多个工位同时进行抛光，加工效率随着工位的增加而成倍的提高；易于控制，工件和磨具都是对称分布，只要规划单个磨具的刀具轨迹即可实现多工磨具和工件同步运动；单台机床能同时加工多个工件，操作简单，适合大批量的工业生产。

　　单工位多工具和多工位多工具联动控制机械抛光的关键技术：(1)多工具同步抛光加工机床结构的设计。普通的数控机床，主要是针对单个工件进行加工的，增加一个工具或者一个工位，其结构和控制的复杂程度明显提高，这就要求设计者合理设计，以保证加工精度和减小制造成本。各磨具需在同一工位上同步工作，其对称特性要求较高，使得机床结构设计较大程度受磨具工作空间限制，在机床结构选择、各轴运动机构的布置都需要重点考虑。(2)多工具同步姿态调节补偿器的设计。多工具的同步协调性是保证加工质量的重要因素，需要每个工具的姿态同步。但是机床制造误差和工件尺寸误差的存在，使得各磨具位姿并不像理论上的完全同步，需设计相应的位姿调节补偿器，保证各磨具的磨轮均与工件有效接触。(3)多工位姿态同步调整装置的设计。对于曲面工件，加工过程中在工位上面不是固定静止的，工件可能因加工需要进行旋转、摆动等姿态变化运动。工位姿态调整主要包括工件的角度和高度调整。各工位在圆形工作台上要实现同步加工，要求工件具有较高的对称性、等高性和同步性，需设汁调整灵活、精确的装置实现这一目的。