針對鑄件澆冒口后處理環(huán)節(jié)存在的精度低、效率差及一致性差等問題，研究了一種面向高精度打磨的五軸加工工藝優(yōu)化方法。優(yōu)化設(shè)計了集三軸滑臺、旋轉(zhuǎn)模組與雙工位轉(zhuǎn)臺于一體的自動打磨裝置，建立了手動示教與外部導(dǎo)入相結(jié)合的軌跡生成機(jī)制，優(yōu)化設(shè)定了移動速度、刀具重疊率及接觸角等關(guān)鍵參數(shù)，最終構(gòu)建可復(fù)用的打磨工藝體系。該方法有效降低了打磨時間，提高了表面質(zhì)量和尺寸一致性，提升了自動化水平與加工穩(wěn)定性。
序言
鑄件澆冒口的去除與表面打磨關(guān)系著成品的外觀質(zhì)量與尺寸精度。傳統(tǒng)工藝中，該環(huán)節(jié)一般依賴人工操作，存在勞動強(qiáng)度高、效率低及一致性差等問題。為提升鑄件澆冒口加工工藝的自動化水平與加工質(zhì)量，亟需構(gòu)建高效、穩(wěn)定的自動打磨工藝體系，滿足復(fù)雜鑄件澆冒口的高精度打磨需求。
打磨工藝現(xiàn)狀與問題分析
2.1 傳統(tǒng)打磨方法概述與瓶頸
傳統(tǒng)的澆冒口人工打磨去除作業(yè)中，操作人員常使用便攜式角磨機(jī)、砂輪機(jī)等，該手動打磨方式雖成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，但缺點(diǎn)為勞動強(qiáng)度大、效率低及一致性差。
在大批量、高一致性要求的鑄件生產(chǎn)中，傳統(tǒng)人工打磨方式易出現(xiàn)漏打、過打及偏差大等質(zhì)量缺陷，無法保證鑄件的打磨質(zhì)量一致性。另外，手工打磨還存在粉塵污染、刀具操作風(fēng)險等職業(yè)健康隱患，制約車間的智能化升級。
2.2 現(xiàn)有機(jī)床結(jié)構(gòu)與工藝限制
為提升自動化水平，目前一些企業(yè)嘗試對傳統(tǒng)龍門加工中心進(jìn)行鑄件打磨改造處理。但此類設(shè)備多面向金屬切削加工，其結(jié)構(gòu)剛性、運(yùn)動自由度及控制邏輯不適合復(fù)雜曲面的鑄件澆冒口清理。因此此類機(jī)床的打磨作業(yè)，依賴高級數(shù)控編程與操作技能，增加了人員培訓(xùn)成本，設(shè)備的普適性與靈活性也受到限制。
2.3 打磨精度、效率與一致性問題分析
鑄件澆冒口區(qū)域曲面不規(guī)則、過渡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在過渡材質(zhì)，傳統(tǒng)人工打磨和半自動機(jī)床打磨無法實現(xiàn)高一致性的打磨路徑。在曲率變化劇烈的邊緣區(qū)域，刀具角度與工件接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，會導(dǎo)致局部打磨不足或表面過度切削，嚴(yán)重影響鑄件外觀，甚至影響使用性能。工藝參數(shù)難以精確復(fù)用，不同操作人員或不同設(shè)備狀態(tài)下的打磨效果存在較大差異，無法保證產(chǎn)品合格率。
五軸打磨裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)組成
3.1 整體結(jié)構(gòu)組成
對打磨裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)以底座、外殼組成的機(jī)架為基礎(chǔ)，內(nèi)部集成了X、Y、Z三軸直線滑臺模組、旋轉(zhuǎn)模組及雙工位轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)五軸聯(lián)動控制。
三軸直線滑臺采用滾珠絲杠模組，X軸滑臺上安裝固定架，內(nèi)部嵌套Z軸滑臺，Z軸滑臺與Y軸滑臺聯(lián)動，實現(xiàn)高精度空間運(yùn)動控制。旋轉(zhuǎn)模組安裝在Y軸末端，可以繞滑動方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)臺連接伺服電動機(jī)，帶動打磨刀具靈活調(diào)整姿態(tài)，以此匹配復(fù)雜曲面。
雙工位轉(zhuǎn)臺由轉(zhuǎn)臺座、電動機(jī)及減速器組成，兩側(cè)工件轉(zhuǎn)臺可同步或獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，完成上料與打磨任務(wù)的無縫切換，提升作業(yè)效率與節(jié)拍連貫性。
3.2 控制系統(tǒng)與操作方式
打磨裝置配備集成化設(shè)備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)五軸運(yùn)動部件的統(tǒng)一調(diào)度。其核心控制器具有手動示教模式與外部導(dǎo)入模式兩種操作方式。手動示教模式下，操作人員通過控制器設(shè)定滑臺移動速度與倍率，控制刀具沿標(biāo)準(zhǔn)鑄件澆冒口路徑移動并記錄關(guān)鍵示教點(diǎn)與運(yùn)動方式（線性或圓?。?，自動生成初步打磨工藝文件；在外部導(dǎo)入模式中，系統(tǒng)通過導(dǎo)入鑄件CAD模型及刀具參數(shù)，結(jié)合仿真軟件進(jìn)行打磨軌跡設(shè)計與驗證，轉(zhuǎn)換為可直接運(yùn)行的工藝文件。
3.3 輔助裝置設(shè)計
輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行與現(xiàn)場環(huán)境的整潔，在運(yùn)動零件防護(hù)方面，固定架與外殼間設(shè)置X軸方向的鱗片式防塵罩，Y軸模組兩側(cè)也設(shè)有鱗片式防塵罩，用于防止金屬粉塵侵入運(yùn)動機(jī)構(gòu)，延長使用壽命。
在切屑收集方面，打磨區(qū)下方底座設(shè)置收集裝置，配合頂部多孔布局的切屑收集孔，集中清理磨削殘渣，提升可維護(hù)性。在轉(zhuǎn)臺上配置專用定位工裝，以此快速、穩(wěn)定地安裝鑄件，確保打磨路徑的重復(fù)精度與一致性，優(yōu)化打磨工藝的穩(wěn)定性與生產(chǎn)效率。
五軸打磨路徑生成工藝優(yōu)化
4.1 手動示教路徑生成方法及參數(shù)設(shè)定
在手動示教模式下，操作人員通過控制器控制X、Y、Z三軸滑臺及旋轉(zhuǎn)模組，使打磨刀具沿標(biāo)準(zhǔn)鑄件澆冒口的輪廓進(jìn)行手動引導(dǎo)打磨。每當(dāng)?shù)毒咭苿拥疥P(guān)鍵位置，控制器記錄當(dāng)前位置作為示教點(diǎn)，記錄相鄰點(diǎn)間的運(yùn)動方式與速度參數(shù)。
打磨過程中的關(guān)鍵參數(shù)包括三軸移動速度與倍率、旋轉(zhuǎn)模組與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及倍率，均可通過界面靈活設(shè)定。示教完成后，系統(tǒng)自動生成初步打磨工藝文件，供驗證與調(diào)整使用。適用于非標(biāo)準(zhǔn)件打磨，具備操作直觀、路徑直觀可控的優(yōu)勢。
4.2 外部模型導(dǎo)入與仿真優(yōu)化路徑生成流程
外部導(dǎo)入模式通過數(shù)字化建模與仿真，實現(xiàn)打磨路徑的自動生成與優(yōu)化。
第一，獲取鑄件的三維CAD模型后，提取澆冒口邊緣形成二維外輪廓圖。結(jié)合鑄件材質(zhì)、尺寸、打磨厚度及刀具特性參數(shù)，系統(tǒng)生成初始打磨軌跡。
第二，將鑄件模型與打磨裝置模型導(dǎo)入仿真軟件，構(gòu)建仿真環(huán)境，具體包含速度、加速度和轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，運(yùn)行虛擬打磨任務(wù)[3]。若仿真軌跡與鑄件模型存在偏差，則進(jìn)一步修正路徑，重新驗證，直到精度吻合方可進(jìn)行打磨。
第三，輸出路徑經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，生成可由打磨裝置直接執(zhí)行的工藝文件。
4.3 運(yùn)動方式對打磨效果的影響分析
不同運(yùn)動方式對路徑光順性與表面質(zhì)量存在影響：線性運(yùn)動適用于輪廓變化小或平直區(qū)域工況，可實現(xiàn)高速度、大面積磨削，在轉(zhuǎn)角或曲率突變區(qū)域則會引發(fā)路徑突變或過切；
圓弧運(yùn)動適用于連續(xù)曲面和邊界過渡區(qū)域工況，能保持刀具姿態(tài)穩(wěn)定，提高接觸均勻性，提升表面一致性與打磨精度。實際打磨過程中，應(yīng)結(jié)合兩種方式使用，通過控制器智能判斷示教點(diǎn)間的幾何關(guān)系，自動選擇最優(yōu)運(yùn)動類型。
打磨過程中的工藝參數(shù)優(yōu)化
5.1 X、Y、Z軸移動速度與倍率設(shè)定
X、Y、Z三軸直線滑臺的移動速度決定打磨過程的節(jié)奏與精度控制。在手動示教及自動運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可分別設(shè)置速度與倍率參數(shù)，實現(xiàn)不同路徑段速度的動態(tài)調(diào)節(jié)。
打磨復(fù)雜曲面或拐角區(qū)域時，應(yīng)降低速度與倍率，提升軌跡貼合度；打磨平整區(qū)域，則適當(dāng)提高速度以提升效率。速度設(shè)定策略需兼顧刀具負(fù)載、材質(zhì)硬度與路徑曲率，實現(xiàn)效率與質(zhì)量的平衡[4]。
5.2 打磨深度、刀具路徑重疊率及接觸角調(diào)整
若要保障工藝穩(wěn)定，則應(yīng)合理控制單次打磨深度，路徑重疊率決定打磨覆蓋度，一般控制在20%～50%，確保無漏磨與磨痕重疊現(xiàn)象。接觸角影響切削效率與表面質(zhì)量，需結(jié)合刀具形貌與工件輪廓自動調(diào)整。
優(yōu)化結(jié)果對比分析
與傳統(tǒng)人工打磨方式相比，優(yōu)化后的系統(tǒng)在加工時間上縮短約35%，由原平均每件7.8min減少至5.1min；表面粗糙度值Ra由3.2μm降至1.8μm，表面質(zhì)量明顯提升；同批次零件尺寸一致性誤差控制在±0.15mm以內(nèi)，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方式的±0.5mm。
工藝文件的可復(fù)用性大幅降低了編程與調(diào)試時間，單件調(diào)整時間由原來的20min縮減至不到5min，顯著提升了生產(chǎn)效率與工藝穩(wěn)定性。
咨詢澆冒口打磨機(jī)：135 2207 9385
結(jié)束語
本文圍繞鑄件澆冒口的自動打磨需求，提出了基于五軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化方法，涵蓋路徑生成策略、工藝參數(shù)設(shè)定與誤差補(bǔ)償機(jī)制。研究證明，該方法可顯著提升打磨精度與生產(chǎn)效率，具備良好的可擴(kuò)展性與工藝適應(yīng)性。
