3+2定軸加工測(cè)試零件的加工工藝分析及機(jī)床精度檢測(cè)

屈斌文 周世乾

摘要： 基于檢測(cè)試件的五軸機(jī)床幾何精度檢測(cè)研究-3+2定軸加工測(cè)試零件在“德瑪吉DMU60”立式五軸加工中心上的加工測(cè)量。本文對(duì)相應(yīng)的圓錐臺(tái)試件做出詳細(xì)的加工工藝設(shè)定，同時(shí)運(yùn)用Powermill軟件進(jìn)行數(shù)控編程得到圓錐臺(tái)試件的刀路軌跡，通過后置計(jì)算生成加工程序進(jìn)行實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)，得到圓錐臺(tái)試件的實(shí)件。最后使用三坐標(biāo)等相關(guān)檢測(cè)設(shè)備完成各項(xiàng)要求尺寸及表面粗糙度的檢測(cè)。

Abstract： Research on the geometric accuracy detection of five-axis machine tools based on test specimens-3+2 fixed-axis machining test parts processing measurement on the "DMU60" vertical five-axis machining center. This article makes detailed processing technology settings for the corresponding truncated cone test piece， and at the same time， uses the Powermill software to carry out numerical control programming to obtain the tool path of the truncated cone test piece. The processing program is generated by post-calculation to carry out the actual cutting experiment， and the truncated cone test is obtained. The real piece of the piece. Finally， use three-coordinates and other related testing equipment to complete the testing of various required dimensions and surface roughness.

關(guān)鍵詞： 3+2定軸加工;圓錐臺(tái)試件;工藝安排;檢測(cè)分析

Key words： 3+2 fixed-axis machining;cone-shaped test piece;process arrangement;inspection and analysis

中圖分類號(hào)：TK416+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0101-02

1? 概述

眾所周知，加工精度是數(shù)控機(jī)床重要的技術(shù)指標(biāo)，精度的高低直接決定了所加工產(chǎn)品的質(zhì)量好壞，一般檢測(cè)機(jī)床精度的方法有儀器檢測(cè)法和檢測(cè)試件試切法。而對(duì)于試切法在五軸加工中涉及到的測(cè)試零件的設(shè)計(jì)與加工就顯得尤為重要。由于目前檢測(cè)試件并沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)針對(duì)本課題所要研究的3+2定軸加工的加工模式，以及對(duì)于機(jī)床精度檢測(cè)主要針對(duì)的檢測(cè)內(nèi)容，我們不難將檢測(cè)試件所具有的特征概括如下：①容易制造并能夠快速加工;②能夠便于測(cè)量;③加工工藝安排簡(jiǎn)便;④刀具裝夾等其它誤差影響因素;在充分結(jié)合各個(gè)國(guó)家的檢測(cè)試件，圓錐臺(tái)試件目前在世界上各國(guó)機(jī)床制造業(yè)檢驗(yàn)五軸機(jī)床加工精度中被普遍使用，同時(shí)也被寫入了我國(guó)的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10792.1-2007。圓錐臺(tái)試件結(jié)構(gòu)如圖1，該試件建模簡(jiǎn)單且檢測(cè)項(xiàng)目多，故選擇此試件進(jìn)行加工檢測(cè)。

2? 圓錐臺(tái)試件的數(shù)模介紹

試件主要由兩部分組成，分別為上部的圓錐臺(tái)與下部的基座。上部為直徑110mm的圓錐臺(tái)，厚度45mm，圓錐半頂角15°，錐臺(tái)底面傾斜15°，在圓錐臺(tái)半頂角面由Φ30mm的孔與2-Φ10定位孔構(gòu)成。研究圓錐臺(tái)試件的幾何特性，圓錐臺(tái)試件的錐面與水平面的夾角是75°，這個(gè)角度屬于閉角（加工面法矢量與底座面法矢量的夾角小于直角即為閉角，反之則為開角）范疇[1]。這一閉角的加工無法檢驗(yàn)機(jī)床在開角區(qū)的加工精度[2]。但是對(duì)于本文我們所研究的課題“3+2定軸加工檢測(cè)試件的檢測(cè)研究”來說并沒有任何影響，錐臺(tái)的加工可很好地檢測(cè)B、C軸的精度，同時(shí)通過加工中心Φ30mm×28mm孔和2-Φ10mm孔還可檢驗(yàn)機(jī)床插補(bǔ)精度及重復(fù)定位精度。此外，圓錐臺(tái)試件相比其他試件來說建模更加簡(jiǎn)單，加工更加方便。對(duì)比分析上述內(nèi)容，可確定圓錐臺(tái)試件的實(shí)際切削對(duì)于3+2定軸加工要求的五軸機(jī)床的檢測(cè)可提供有力的科學(xué)依據(jù)及理論參考。

3? 檢測(cè)試件工藝安排

圓錐臺(tái)試件的外形是圓柱形鋁合金構(gòu)件，毛坯尺寸為Φ135mm×170mm。其中實(shí)際銑削高度為45mm。下端為便與裝夾的基座，通過工藝壓板壓緊的方式將毛坯固定在加工平臺(tái)上，同時(shí)采用壓板的方式可更好的減小由于夾具裝夾產(chǎn)生的應(yīng)力變形及夾具尺寸過大所造成的加工干涉問題。

3.1 加工工藝規(guī)劃? 根據(jù)圓錐臺(tái)檢測(cè)試件的結(jié)構(gòu)特性，我們分為幾個(gè)獨(dú)立的步驟來加工：①粗、精加工試件基座;②平端面?？傞L(zhǎng);③圓錐臺(tái)加工;④圓錐臺(tái)端面中心孔加工;⑤2-Φ10H7孔加工。所有工序分三次裝夾來完成，其中工序①和工序②為檢測(cè)試件基座的加工，而步驟③至步驟⑤為檢測(cè)試件的實(shí)際加工，是在一次裝夾來完成的，盡可能的減小由于多次裝夾而產(chǎn)生的工件定位誤差。

3.2 定位與夾緊? 與所有加工一樣，在正式進(jìn)行切削前，我們需要將所需毛坯裝夾在工作臺(tái)或者夾具上，并對(duì)其固定夾緊。對(duì)于該試件在數(shù)控加工中的夾緊裝置的選擇，首先我們要保證機(jī)床零點(diǎn)位置與夾具的工件坐標(biāo)零點(diǎn)二者相對(duì)固定，其次是要把握好所要加工的零件與夾具的相對(duì)位置關(guān)系[3]。而對(duì)于我們所加工的檢測(cè)試件，整體結(jié)構(gòu)為圓柱形，相對(duì)應(yīng)我們所選擇的毛坯也為精車后的圓柱型毛坯，選擇圓柱毛坯底面為基準(zhǔn)面，將其放置在機(jī)床工作臺(tái)合適位置，由于我們?cè)诩庸せ醯墓に嚢才?，我們采用工藝壓板將其基座固定在工作臺(tái)上。

4? 圓錐臺(tái)試件數(shù)控加工

此次加工編程，我們所選擇用CAXA數(shù)控車編程軟件對(duì)毛坯進(jìn)行車削加工，選擇Powermill軟件對(duì)圓錐臺(tái)試件進(jìn)行加工。

4.1 銑削毛坯加工? 對(duì)于工序①第1工步采用外圓車削加工（粗加工），首先將基座輪廓在CAXA數(shù)控車中畫出。設(shè)置好刀具數(shù)據(jù)，將該刀具設(shè)為當(dāng)前刀具，點(diǎn)粗加工設(shè)置切削三要素、進(jìn)退刀方式等，接下來選擇加工輪廓線生成刀路并選擇刀路生成加工程序。對(duì)于工序②平端面，將工序①加工工件掉頭裝夾，按照工序①參數(shù)設(shè)置流程對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過軟件搭載的通用后置文件產(chǎn)生NC程序，并將程序?qū)霗C(jī)床進(jìn)行實(shí)際切削加工，保證總長(zhǎng)146mm。

4.2 試件銑削加工? 對(duì)于工序③第一工步，我們采用Powermill軟件“模型區(qū)域清除”策略進(jìn)行余料的去除。首先創(chuàng)建刀具路徑，選擇模型區(qū)域清除，按步驟選擇已創(chuàng)建好的毛坯、坐標(biāo)系等參數(shù)，設(shè)置切削層、切削參數(shù)和進(jìn)給速度，點(diǎn)擊計(jì)算，在此工步加工參數(shù)設(shè)定中，尤其加工坐標(biāo)系的確定，我們有兩種方式，其一為選擇毛坯坐標(biāo)原點(diǎn)，其二為工件坐標(biāo)原點(diǎn)。其中若選擇毛坯原點(diǎn)為加工原點(diǎn)，那么在刀具設(shè)定時(shí)需要加長(zhǎng)刀桿，由于刀具伸長(zhǎng)剛性降低，在加工零件時(shí)不能采用大切削，增加加工時(shí)間，同時(shí)加工表面粗糙，而盡可能短的刀長(zhǎng)對(duì)更好的滿足切削要求。

工序③第二、三工步，是圓錐臺(tái)試件半精/精加工。半精加工在刀具路徑對(duì)話框中我們可以采用“等高精加工”或者“SWARF精加工”策略，若選擇“SWARF精加工”策略進(jìn)行半精加工時(shí)要注意在圓錐臺(tái)錐面留有余量或者在銑削時(shí)設(shè)置分層銑削，避免由于切削量過大引起刀具產(chǎn)生形變而造成圓錐臺(tái)尺寸不穩(wěn)定。確定加工策略后進(jìn)入設(shè)置界面，完成選擇刀具、毛坯等常規(guī)設(shè)置，此處注意在選擇坐標(biāo)系時(shí)要選擇垂直于圓錐臺(tái)界面的坐標(biāo)系。完成側(cè)壁及底面余量的設(shè)置，完成創(chuàng)建路徑，生成刀路。采用加工策略選擇器中的五軸加工策略“SWARF精加工”對(duì)圓錐臺(tái)錐面及圓錐臺(tái)底面、中心Φ30mm孔進(jìn)行精加工，在圓錐臺(tái)底面、中心孔的精加工策略選擇時(shí)，也可選擇等高精加工策略，尤其注意選擇不同的策略要選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系。采用“SWARF精加工”策略對(duì)其進(jìn)行精加工生成刀路。

工序③第四、五、六工步，是加工圓錐臺(tái)截面2-Φ10H7孔，在策略選擇器中分別選擇鉆孔、深鉆、鉸孔策略，創(chuàng)建3把刀具，分別為T2型號(hào)為中心鉆，直徑8mm，主要用于打中心孔;T3型號(hào)為直徑9.8mm麻花鉆，主要用于打底孔;T4型號(hào)為Φ10H7機(jī)用鉸刀，主要用于鉸孔已達(dá)到孔的精度要求。然后生成刀路。

4.3 實(shí)際加工? 根據(jù)檢測(cè)試件加工工藝卡，將精毛坯用壓板安裝在機(jī)床工作臺(tái)上面，將已經(jīng)后置處理的數(shù)控程序?qū)霗C(jī)床，我們選擇如下加工策略實(shí)現(xiàn)加工。選擇“SWARF精加工”策略對(duì)其進(jìn)行精加工，具體參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

5? 相關(guān)參數(shù)檢測(cè)分析

5.1 輪廓誤差測(cè)量? 我們采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來檢測(cè)所加工零件的輪廓誤差[4]。我們?cè)趫A錐臺(tái)試件圓錐面上均勻的取四條側(cè)母線，且在四條側(cè)母線上分別取3個(gè)點(diǎn)，同時(shí)在平行于圓錐臺(tái)由上往下15mm的位置取圓錐臺(tái)截面，利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別測(cè)量圓錐臺(tái)截面，圓度、直徑，側(cè)母線傾斜度，圓錐臺(tái)輪廓度、圓錐臺(tái)截面圓與中心孔同軸度，錐面孔的孔距，具體實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比如表1。

5.2 表面粗糙度檢測(cè)? 我們使用粗糙度檢測(cè)儀對(duì)已經(jīng)加工完成的圓錐臺(tái)試件進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，先后測(cè)量?jī)纱螠y(cè)量值并取平均值記錄在表2中。

6? 總結(jié)

本文以圓錐臺(tái)試件為研究對(duì)象，首先系統(tǒng)的分析了圓錐臺(tái)試件的幾何特性，為后續(xù)的加工提供理論基礎(chǔ)。然后根據(jù)圓錐臺(tái)試件的結(jié)構(gòu)和特性，制定了加工工藝路線?；赑owermill加工環(huán)境，編程并實(shí)行后處理，得到圓錐臺(tái)試件的加工數(shù)控程序通過實(shí)際的切削實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)仿真加工的有效性。最后，通過三坐標(biāo)測(cè)量得到實(shí)際尺寸，并與理論值作對(duì)比分析得出結(jié)論。證明針對(duì)此圓錐臺(tái)試件的工藝安排的合理性，并有效的證明了此五軸立式加工中心加工精度滿足加工需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張信.基于虛擬制造技術(shù)的“S”件加工仿真及參數(shù)分析研究[D].電子科技大學(xué)，2014.

[2]周平，吳有恩.數(shù)控編程技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社，2008-06-01.

[3]徐強(qiáng).數(shù)控加工相對(duì)傳統(tǒng)加工優(yōu)勢(shì)分析[J].東北輕合金有限責(zé)任公司，2017-5.

[4]G Farkas， Drégelyi-Kiss. Measurement uncertainty of surface roughness measurement[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，448（1）.