01 序言
密煉機轉(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。目前大部分密煉機生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)子體加工依靠人工打磨，打磨時間久，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。加工費用按350元/h計算，生產(chǎn)一根GE420需要7萬元，加工成本很高，效率很低。一臺機床滿負(fù)荷年產(chǎn)50根，質(zhì)量不佳，要人工修形，用樣板和對輥工裝檢驗。因產(chǎn)能不足，一些型號需人工打磨。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，加工時間主要取決于鑄造余量。因為GN型轉(zhuǎn)子體體積較大，長度1.2m，直徑700mm，外形復(fù)雜，所以打磨后很難保證達(dá)到設(shè)計容積要求。各個密煉機廠轉(zhuǎn)子體型號越來越大，急需通過數(shù)控加工來提高生產(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)效率低的問題，設(shè)計了一套加工工藝，實現(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，提高了焊接機器人對絲速度和精度。
02 零件結(jié)構(gòu)
密煉機轉(zhuǎn)子體分為GN剪切型和GE嚙合型（見圖1、圖2），剪切型又分為4棱、6棱和ZZ2型等?；窘Y(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剪切型密煉機轉(zhuǎn)子體
圖2 GE嚙合型密煉機轉(zhuǎn)子體
03 機床結(jié)構(gòu)
加工設(shè)備為MAZAK E670H 6000U機床，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；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長鏜桿系統(tǒng)（見圖4），采用的是山特維克可樂滿減振鏜桿，長度1.8m，內(nèi)裝長度0.5m，可鏜長度1.3m。
圖3 MAZAK機床結(jié)構(gòu)
圖4 LBB長鏜桿系統(tǒng)
龍門式機床采用的是雙卡盤，一個主動卡盤，一個從動卡盤，裝夾方式上更加方便。圖5所示為龍門式雙轉(zhuǎn)臺機床。
圖5 龍門式雙轉(zhuǎn)臺機床
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 采用UG NX 12.0軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)子體CAD、CAM設(shè)計。
（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ZG300-560，余量10～15mm，工藝止口長度150mm；車銑復(fù)合類設(shè)備工藝止口長度250mm。
（4）設(shè)備 4m龍門帶四軸雙轉(zhuǎn)臺或車銑復(fù)合MAZAK E670H 4000U和6000U機床。
（5）系統(tǒng) Siemens 840D或MAZAK Smooth。
（6）檢驗 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)子體涉及型號眾多，考慮大小和機床行程，為了提高加工效率，選用圓角盤銑刀，GE嚙合型轉(zhuǎn)子體根據(jù)型號大小選用D100mm R6mm或D80mm R6mm盤銑刀；GN剪切型轉(zhuǎn)子體選用D63mm R6mm盤銑刀（4刃梳齒、長度175mm）和D32mm R6mm盤銑刀（2刃梳齒、長度175mm），可滿足全部型號的使用。
（8）輔助 為了實現(xiàn)螺旋切削，不傷及左右端面，偏置端面5mm，如直接偏置報警，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
5.1 工藝路線設(shè)計
GN剪切型轉(zhuǎn)子體加工的工藝路線設(shè)計見表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，各類基準(zhǔn)槽、孔的設(shè)計，以及最終結(jié)果的掃描驗證。
表1 GN剪切型轉(zhuǎn)子體加工的工藝路線設(shè)計
5.2 裝夾和校正方式
（1）裝夾方式 龍門為主、副卡盤裝夾，雙卡盤操作最為簡單；車銑為液壓主卡盤、頂尖、自定心卡盤或單動卡盤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、頂尖，內(nèi)套工裝在內(nèi)孔調(diào)節(jié)，用百分表測量，保證左右架子口同軸后，輔助中心架支撐，軸向圓跳動需在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）對刀基準(zhǔn)點 Y軸和Z軸為液壓自定心卡盤旋轉(zhuǎn)中心，利用中心鉆，移動至長棱中心點，確定轉(zhuǎn)子體坐標(biāo)系G54的X值和A角度；移動至安全銷劃線點，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，銑削外形后會造成劃線點消失，故應(yīng)提前做好坐標(biāo)系記錄。GN400對刀基準(zhǔn)點在長棱中心，如圖7所示。
圖7 GN400對刀基準(zhǔn)點在長棱中心
5.3 數(shù)控工藝設(shè)計
（1）銑削外圓 銑削外圓（見圖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，劃線點消失，需要重新劃線，然后銑削外形[1]。因為重復(fù)劃線會造成基準(zhǔn)不統(tǒng)一，極易造成車削端面和外形偏差，90%區(qū)域為空區(qū)域，所以車削加工效率較低，斷續(xù)車削對刀具和機床的損耗較大。
圖8 銑削外圓
（2）棱頂試切 加工前，驗證基準(zhǔn)點是否準(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
如果因個別原因出現(xiàn)劃線工序基準(zhǔn)點錯劃或漏劃的現(xiàn)象，若錯劃，則試切后調(diào)整旋轉(zhuǎn)軸角度，保證加工余量平均；若漏劃，則對左右端面取中點值，用中心鉆在長棱處鉆點深度0.2mm，卷尺一端貼在該點，平行于Y軸，測量長棱兩端距離，取中點，即可得到X值和A值。無需重新劃線，機內(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，會形成聯(lián)動加工時的滿刃加工，底部出現(xiàn)頂?shù)冬F(xiàn)象，刀具極易報廢；通過改變順銑、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)動狀態(tài)下退刀易造成刀具報廢。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（見圖12），采用聯(lián)動行切方式，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)動和定軸加工均可。
基圓鑄造余量為10mm，因車削架子口會導(dǎo)致架子口和基圓基準(zhǔn)不同心[3]，出現(xiàn)高低點，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，則考慮機床行程和刀具長度，從GN270至GN400，對ZZ2型和4棱型轉(zhuǎn)子體進(jìn)行5等分加工。
若采用聯(lián)動加工，因會造成中心頂?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)動粗加工基圓如圖14所示。
圖14 聯(lián)動粗加工基圓
（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)動行切方式，每加工一行轉(zhuǎn)角度，采用直接連接，因為使用的是圓鼻刀，所以刀具中心無切削能力。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，槽深＝（架子口外徑－內(nèi)徑）/5（mm），深度范圍5～10mm，校正長度≥100mm，槽寬20mm。
（11）鉆基準(zhǔn)點 因為后面工序采用神鋼和徠斯焊接機器人焊接不銹鋼和高硬合金材料，機器人需要用焊槍上的焊絲找正零件上的基準(zhǔn)點，保證離線編程的程序原點與機器人的原點重合，所以使用D10mm中心鉆，在基準(zhǔn)槽正中鉆孔，深度5mm。該方法焊機對絲速度快，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)子體因為面比較寬，所以使用行切更合適，運動軸較少，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掃描驗證
6.1 工件安裝和掃描
因為工件較重，無法手動旋轉(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)行對比，最佳擬合，對比結(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 工藝止口長度
因為龍門式雙轉(zhuǎn)臺加工設(shè)備是雙夾持，所以工藝止口長度設(shè)計為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、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，4m設(shè)備為300mm，6m設(shè)備為400mm。
7.2 法蘭盤夾具和找正
車銑復(fù)合裝夾方式如圖22所示。頂尖頂住，單動卡盤配法蘭盤，頂尖方向架子口使用百分表校正，軸向圓跳動控制在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
1）本工藝方案經(jīng)過2年的不斷優(yōu)化，以及3年的不斷加工驗證，已十分完善。不僅加工質(zhì)量好，無需樣板和對輥工裝檢驗，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，適合密煉機轉(zhuǎn)子體毛坯大批量高效生產(chǎn)，密煉機企業(yè)可以直接借鑒使用。
2）該工藝設(shè)計可以實現(xiàn)密煉機轉(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)槽和點的設(shè)計，如果焊接表層為高硬度合金，則考慮使用機械加工，該工藝設(shè)計可以有效銜接數(shù)控銑削合金工序，方便焊接機器人校準(zhǔn)原點等。
