搖臂銑加裝轉(zhuǎn)臺C軸的加工應(yīng)用及后處理設(shè)置*

歐陽德祥 張祥林 詹華西

(①武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430074;②華中科技大學(xué)，湖北 武漢430074)

某小企業(yè)因加工業(yè)務(wù)拓展的需要，擬在三軸數(shù)控?fù)u臂銑床的工作臺上加裝C軸數(shù)控分度盤而將其改造為四軸控制機床，并希望利用其搖臂功能，針對工件加工要求，在人工手動扳轉(zhuǎn)并鎖定主軸傾角的狀態(tài)下，通過四軸交互運動完成固定傾角曲面的高效銑削加工。由此，即能在較低投入的前提下完成本應(yīng)由五軸機床才能實現(xiàn)的復(fù)雜曲面工件的加工?；诖?，需要探索與之相適應(yīng)的CAM多軸加工刀路方法及其相關(guān)后處理參數(shù)的設(shè)置，從而為該機床數(shù)控加工自動編程的實現(xiàn)提供可操作性的技術(shù)準(zhǔn)備。

1 搖臂銑加裝C軸后的工藝拓展及運動控制分析

就三軸數(shù)控銑床而言，當(dāng)在工作臺上加裝一個C軸分度盤并進行數(shù)控系統(tǒng)升級后，它便是一臺能實現(xiàn)四軸聯(lián)動控制的機床，對于均布孔系及高精度要求的內(nèi)外柱面銑削加工，不再需要通過XY的插補運算即可通過C軸回轉(zhuǎn)加工實現(xiàn)，因此可消除由插補逼近計算而引起的加工原理誤差，從而獲得較高的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。數(shù)控?fù)u臂銑床的主軸可人工按刻度盤手動扳轉(zhuǎn)至一定角度后鎖定在某固定角度方位，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于可繞Y軸轉(zhuǎn)至一固定傾角的B軸，因此，既可利用平底銑刀的底刃實現(xiàn)與刀軸垂直的斜平面銑削，也可利用其側(cè)刃實現(xiàn)與刀軸平行的側(cè)表面高效銑削。搖臂銑加裝回轉(zhuǎn)C軸后，相當(dāng)于一擺頭+擺臺的五軸機床，但其主軸擺頭的角度不能受數(shù)控代碼控制實現(xiàn)任意角度的動態(tài)擺轉(zhuǎn)，只能在前期由人工預(yù)先扳轉(zhuǎn)至一固定角度方位。這一組合運動形式可利用平底銑刀的側(cè)刃實現(xiàn)固定傾角的錐臺類側(cè)壁曲面的銑削加工，相對于三軸模式下使用球刀逐層銑削錐面，其效率無可比性;較之錐拔成型銑刀加工而言，它既可省去刀具定制的成本，同時更能獲得較高的加工精度及其表面質(zhì)量。

然而，由于搖臂銑加裝C軸的機床形式，其主軸擺轉(zhuǎn)的角度不能自動控制，所以它不能完全適合真正的擺頭+轉(zhuǎn)臺五軸控制的所有加工方法，其可實現(xiàn)的加工工藝范圍存在一定的局限性。該機床形式對多軸加工刀路方法及程序編制的合理性要求較高，它要求刀路方法及程序中的主軸擺角相對固定，只能在運動初期和運動結(jié)束時產(chǎn)生主軸固定擺角的運動，切削運動中不能再出現(xiàn)主軸的擺角變化。

2 主軸傾角固定的多軸加工刀路方法探索

2.1 搖臂銑加C軸機床對多軸刀路的基本期望

如前述分析，由于搖臂銑可理解為主軸頭固定B軸(或A軸)擺角的機床運動模式，當(dāng)其用于加工圖2a所示側(cè)壁錐面傾角為10°的簡單錐臺工件時，其合適的刀路方法應(yīng)該是:可采用平底銑刀，在初期運動到錐頂圓周一側(cè)的同時進行B軸10°的擺角，Z向下行后逐步引入至加工區(qū)，并在后續(xù)加工過程中始終保持固定10°的傾角，由C軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)側(cè)壁曲面的銑削加工，如此分層依次切削，直至全部側(cè)壁加工完成，然后引出離開加工區(qū)再Z向提刀，最后刀軸擺轉(zhuǎn)復(fù)位至正常角度。

2.2 Master CAM多軸加工刀路方法的比較

針對該錐臺側(cè)壁曲面的加工，若在MasterCAM中采用旋轉(zhuǎn)四軸(C軸旋轉(zhuǎn))加工可以得到圖2b所示刀路，雖然該刀路基本上是緊貼錐壁一層層的旋轉(zhuǎn)切削，但由于其必須選用球刀，且需要讓刀軸始終以法向垂直曲面的狀態(tài)做旋轉(zhuǎn)切削，因此，其刀位點在XY平面內(nèi)的坐標(biāo)計算無法獲得前述期望的結(jié)果。若采用沿面五軸、通道五軸等多軸加工方法并調(diào)整設(shè)置，可得到圖2c所示刀路。通過觀察仿真運動效果，能明顯看出該刀路第一深度層是傾角漸次變化的過渡層，但從第二深度層開始似乎就是由平底銑刀的側(cè)刃以固定傾角在C軸旋轉(zhuǎn)方式下實現(xiàn)錐壁曲面的切削，或許進行后期編輯刪除第一層的刀路即可達(dá)到期望的結(jié)果，然而從得出的NC程序粗略分析可知，第二層之后的刀路中依然多處存在主軸的傾角變化和調(diào)整。

當(dāng)采用高級多軸模板中的壁邊五軸或電極五軸等刀路方法，以平行于側(cè)壁曲面并定義刀軸為固定10°傾角的設(shè)置，可得到圖2d所示刀路，無論從刀路法向矢量、仿真運動效果還是NC程序格局等諸多結(jié)果分析，這種刀路方法最接近前述期望的結(jié)果。因此，可以選用這類刀路方法實現(xiàn)搖臂銑加裝C軸機床的編程加工控制。

3 搖臂銑加C軸的坐標(biāo)編程及后處理參數(shù)調(diào)整

3.1 搖臂擺頭模式下編程坐標(biāo)的算法特點

主軸擺角對編程坐標(biāo)計算的影響視擺角方式而不同，B軸擺角時主要影響X、Z坐標(biāo)，對Y坐標(biāo)無多大影響，且X、Z坐標(biāo)算法依照擺轉(zhuǎn)樞軸點(即B軸擺動中心)到刀位點的擺長距離L而變化。如圖3所示，對于Z軸采用垂直運動(如立柱或工作臺升降)控制模式的機床，若以上表面回轉(zhuǎn)中心為編程零點并按0傾角狀態(tài)對刀找正，當(dāng)?shù)毒咧行淖叩藉F面+X一側(cè)的某一位置時，B軸擺角狀態(tài)下的X、Z坐標(biāo)應(yīng)如下計算:

ΔX=L×sinβ，即X=Xa-L×sinβ;ΔZ=L×(1-cosβ)，即Z=Za-L×(1-cosβ)。

表1 擺頭加擺臺(C+B)五軸后處理主要參數(shù)設(shè)置及含義解析

這一坐標(biāo)算法的實現(xiàn)，只要在后處理中正確設(shè)置擺長距離L并激活偏置算法，即可由系統(tǒng)自動算出。

3.2 搖臂銑加C軸機床后處理參數(shù)的調(diào)整

MasterCAM X3版的五軸參數(shù)是在PST文檔的5 Axis Rotary Settings區(qū)段中設(shè)置，主要包括旋轉(zhuǎn)軸代碼及正方向、擺頭/擺臺五軸配置方案、刀軸平面及擺長等參數(shù)。以Generic Fanuc 5X Mill.pst后置處理文檔為藍(lán)本，按前述C+B模式對擺頭+擺臺五軸進行主要設(shè)置參數(shù)的修改，見表1所示。

按表1設(shè)置五軸后處理的主要參數(shù)，即可獲得Z軸垂直運動模式下?lián)u臂擺頭(含B傾角)的程序輸出，刪除程序頭尾部分的B坐標(biāo)數(shù)據(jù)即可用于搖臂銑加C軸四軸控制的加工。

4 搖臂銑加裝C軸加工應(yīng)用的仿真驗證

按照以上處理方法，我們在MasterCAM X3中，對圖2所示錐臺側(cè)壁曲面構(gòu)建了五軸加工刀路并進行了后處理參數(shù)的調(diào)整，做好了程序輸出前的相關(guān)準(zhǔn)備。然后啟用VERICUT7.2，選用dmg_dmu60t.mch的擺頭B軸+轉(zhuǎn)臺C軸結(jié)構(gòu)的機床模型，配置fan15im.ctl控制系統(tǒng)，如圖4a所示。按該機床模型中主軸鼻端到樞軸點的距離260 mm，在MasterCAM后處理中進行擺長設(shè)置后輸出程序供VERICUT調(diào)用。

在VERICUT中，坐標(biāo)系構(gòu)建的對刀關(guān)系從組件B原點(樞軸點)到毛坯頂面中心進行構(gòu)建，在使用G90絕對坐標(biāo)格式程序仿真時，不需進行后處理的擺長設(shè)置，由VERICUT自動計算擺長補償即可獲得期望的加工結(jié)果;在使用G91增量坐標(biāo)格式程序仿真時，則需要按260 mm的擺長設(shè)置輸出方可獲得如圖4b所示的期望結(jié)果，若將主軸鼻端下移至距樞軸點300 mm，則在MasterCAM后處理中也需按300 mm擺長設(shè)置輸出才可獲得期望的結(jié)果。若啟用VERICUT的RTPC功能，在MasterCAM后處理中按對應(yīng)擺長設(shè)置并以樞軸點為刀位點生成程序，無論采用絕對或增量坐標(biāo)輸出均可獲得期望的結(jié)果。同時，我們對橢圓錐臺側(cè)壁曲面也按上述方法進行了刀路設(shè)計及VERICUT的仿真檢查，其仿真亦能達(dá)到圖4c所示的期望結(jié)果。由此均可驗證以上主軸固定B傾角+轉(zhuǎn)臺C軸的五軸刀路方法及其由后處理設(shè)置與調(diào)整獲得的程序輸出是合理可行的，說明以上搖臂銑加裝C軸的刀路方法探索及其后處理設(shè)置與調(diào)整能夠達(dá)到預(yù)期的加工要求。

5 結(jié)語

盡管搖臂銑加裝C軸后只是一個能實施4軸控制的機床，但可充分利用主軸搖臂轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)，在一定程度上實現(xiàn)擺頭+擺臺五軸加工的功能，關(guān)鍵是找到合適的刀路設(shè)計方法，并能根據(jù)其特點進行五軸后處理的正確設(shè)置。本文以主軸固定擺角+轉(zhuǎn)臺C的五軸模式，對錐臺類側(cè)壁曲面加工實現(xiàn)的刀路方法及后置程序的輸出處理進行了探索和仿真驗證，論證了搖臂銑加裝C軸后實施五軸加工的可行性。但本文僅就搖臂銑以Z向由立柱或工作臺垂直升降結(jié)構(gòu)模式的加工實現(xiàn)進行了探索研究，對搖臂銑中Z向是在主軸套筒內(nèi)沿刀軸方向做伸縮控制的結(jié)構(gòu)模式，其坐標(biāo)算法特點及其后處理的修正仍需進一步分析和探索。

［1］吳軍.用MasterCAM X進行多軸自動編程加工的方法［J］.機械工程師，2011(1):126-127.

［2］孟凡秋.MasterCAM后處理數(shù)控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):16-17.