五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工研究

劉鐵軍

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，浙江 東陽(yáng) 322100）

零件加工過(guò)程中，以往采用的是三軸機(jī)床，該機(jī)床雖然可滿足大部分類型零件的加工制造，但效率低，質(zhì)量相對(duì)較差，且很難完成一些復(fù)雜零件的制造。這一背景下，機(jī)械加工領(lǐng)域經(jīng)過(guò)大量研究，逐漸研發(fā)出了加工效率與質(zhì)量更高的零件加工工藝，即五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)。但需要注意的是，由于該技術(shù)采用了旋轉(zhuǎn)軸，將會(huì)導(dǎo)致軸矢量出現(xiàn)突變的問(wèn)題，在高速加工過(guò)程中，很容易使刀具或工件損壞，因而該技術(shù)的應(yīng)用依然不是很廣泛。

1 零件模型概況

1.1 零件尺寸

本文研究中，選擇了S 形試件作為研究對(duì)象，對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)展開(kāi)了研究。S 形試件是現(xiàn)代機(jī)械制造領(lǐng)域常見(jiàn)的工具之一，通過(guò)S 形試件的應(yīng)用，可對(duì)機(jī)床予以檢驗(yàn)，判斷機(jī)床是否存在缺陷，以免生產(chǎn)出規(guī)格不符合要求的零件。S 型檢測(cè)試件是一個(gè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，共由兩部分構(gòu)成，一個(gè)為S 型的緣條，其各區(qū)域的厚度完全相同，另一個(gè)為矩形基座，用于對(duì)緣條的支撐，在基座的上部，包含4 個(gè)階梯孔，用于工件的裝夾；包含2 個(gè)定位孔，用于安裝定位與測(cè)量基準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1 所示。S 形試件加工時(shí)，將基座的上表面為Z=0mm 平面，以矩形基準(zhǔn)左邊的定位孔φ16H9 作為中心，構(gòu)建出相應(yīng)的坐標(biāo)體系。對(duì)于矩形基座來(lái)說(shuō)，高度為30mm，且在其4 個(gè)角處，預(yù)留出1 個(gè)階梯孔。在基座的上方，安裝S 型緣條，其厚度為3mm，且與基座間存在一定角度，兩者并不垂直。

圖1 S 型試件尺寸模型

1.2 建模流程

由于S 型試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其建模流程較為煩瑣，具體為：登錄到相應(yīng)的建模軟件后，向其中錄入2 組數(shù)據(jù)點(diǎn)，每組各50 個(gè)，共100 個(gè)，其中1 組在Z=0mm 平面上，1 組在Z=40mm 平面上。以此為基礎(chǔ)，在各平面內(nèi)，分別構(gòu)建出相應(yīng)的三節(jié)樣條曲線，之后利用該曲線當(dāng)作導(dǎo)線，通過(guò)直線掃略的方式，構(gòu)建出直紋面。然后向著X 軸的方向上，將直紋面拉伸3mm，使其厚度增加到3mm，以此得到上部緣條。最后，在軟件新建頁(yè)面內(nèi)，繪制出基座的模型，并通過(guò)布爾求差的方式，在模型適當(dāng)位置處構(gòu)建出6 個(gè)孔洞，其中，4 個(gè)作為階梯孔，2 個(gè)作為定位孔，以此完成整個(gè)S 型試件建模工作。

2 數(shù)控編程

2.1 加工工藝分析

通過(guò)S 型試件模型分析能夠發(fā)現(xiàn)，緣條和基座之間存在一定的角度，兩者并不垂直，屬于非直壁零件，因而很難通過(guò)三軸機(jī)床進(jìn)行加工處理。基于此，本研究對(duì)S 型試件加工時(shí)，采用了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)，先構(gòu)建S 型試件加工流程卡片，并利用含有UG NX 功能的CAM 系統(tǒng)，通過(guò)多軸銑削變成的方式，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的加工刀路軌跡前置指令，構(gòu)造出AB 雙擺頭型五軸后置處理器，在前置指令的控制下，即可得到S 型試件數(shù)控加工后置G 代碼。S 型試件加工時(shí)，需要針對(duì)試件材料特性，選擇最佳的加工方式，設(shè)置合理的切削參數(shù)。針對(duì)本研究所采用的試件來(lái)說(shuō)，選擇的是7175-T7451鋁合金，其緣條厚度是3mm，是一種薄壁件。另外，在緣條和基座之間存在一定的角度，是非直壁零件。針對(duì)該試件的材料特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可得到加工流程卡片，其中主要包含4 個(gè)環(huán)節(jié)，分別為坯件粗加工、緣條粗加工、緣條精加工與基準(zhǔn)孔加工，如圖2 所示。

圖2 加工流程卡片圖

2.2 刀路軌跡規(guī)劃

根據(jù)該試件加工工藝，可確定出各環(huán)節(jié)加工內(nèi)容，設(shè)計(jì)每個(gè)環(huán)節(jié)的加工方法，選擇最佳的加工刀具，具體如表1 所示。

表1 加工內(nèi)容及刀具的選擇

針對(duì)UG CAM 的編程步驟，先在軟件內(nèi)，將前期構(gòu)建的模型打開(kāi)，并跳轉(zhuǎn)到UG 加工編程界面內(nèi)。然后以此為基礎(chǔ)，結(jié)合加工流程，加載毛坯件，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

2.2.1 沉頭孔處理

對(duì)沉頭孔處理時(shí)，主要由工序1 與工序2 完成。在界面相應(yīng)的對(duì)話框內(nèi)，錄入“drill”，可自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到鉆削加工界面。在該界面當(dāng)中，構(gòu)建3 把刀模型，分別為：（1）刀具T1，為Spotdrilling-Tool 中心鉆，半徑為10mm，長(zhǎng)度是65mm，作為定位孔的處理工具；（2）刀具T2，為Drilling-Tool 鉆刀，半徑為10mm，長(zhǎng)度是65mm，作為φ20 通孔的處理工具；（3）刀具T3，為Counterboring-Tool 锪刀，半徑是16mm，長(zhǎng)度是50mm，作為φ32 沉頭孔的處理工具。之后，設(shè)計(jì)工序：選得到中心孔，然后得到通孔，最后得到沉頭孔，以此結(jié)束該環(huán)節(jié)的加工工序。

2.2.2 型腔銑

主要由工序3 完成，操作流程為：在型腔銑加工界面內(nèi)，構(gòu)建出1 個(gè)立銑刀模型，其半徑是16mm，圓角半徑是3mm。然后設(shè)置部件、毛坯等相關(guān)參數(shù)。針對(duì)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)刀具軌跡，并設(shè)置切削方法，即“跟隨周邊”；添加切削參數(shù)，其中，對(duì)于底面余量來(lái)說(shuō)，設(shè)置成0.5mm，對(duì)于側(cè)壁余量來(lái)說(shuō)，設(shè)置成2mm；添加進(jìn)給率參數(shù)，設(shè)置運(yùn)行速度，最后點(diǎn)擊確定，即可自動(dòng)得到刀具的軌道控件。

2.2.3 S 型面精加工

該環(huán)節(jié)是整個(gè)S 型試件加工的重點(diǎn)，直接關(guān)系到整個(gè)試件的加工質(zhì)量。針對(duì)S 性試件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用多種精加工方法，常見(jiàn)的有下述4 種。

（1）順序銑。點(diǎn)擊“創(chuàng)建”選項(xiàng)，在多軸銑一欄內(nèi)，點(diǎn)擊“順序銑”，以此跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)編程界面中。在該界面內(nèi)，構(gòu)建出立銑刀模型，其半徑是10mm；構(gòu)建安全平面；在“進(jìn)刀設(shè)置”項(xiàng)目?jī)?nèi)，確定進(jìn)刀方式，設(shè)置相應(yīng)的參考點(diǎn)，選擇相匹配的幾何體；在“刀軌運(yùn)動(dòng)”項(xiàng)目?jī)?nèi)，分別構(gòu)建檢查、驅(qū)動(dòng)曲面及部件的表面；結(jié)束推刀。（2）外形廓銑。在多軸銑一欄內(nèi)，點(diǎn)擊“輪廓銑”，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)編程界面中。該界面內(nèi)，按照第一種方法，構(gòu)建銑刀模型，構(gòu)建幾何體。之后將基座上表面當(dāng)做底面，將緣條曲面當(dāng)作側(cè)壁；在“驅(qū)動(dòng)方式”項(xiàng)目?jī)?nèi)，選擇“外形輪廓銑”；在“刀軸設(shè)置”項(xiàng)目?jī)?nèi)，選擇自動(dòng)模式；在“加工方法”項(xiàng)目?jī)?nèi)，點(diǎn)擊精加工選項(xiàng)。（3）分層外形輪廓銑。以第二種方法為基礎(chǔ)，分別選擇8 個(gè)輔助面，以此通過(guò)分層加工的方式，進(jìn)一步對(duì)緣條進(jìn)行加工處理。（4）分層可變輪廓銑。在多軸銑一欄內(nèi)，點(diǎn)擊“可變輪廓銑”；將緣條表面當(dāng)作驅(qū)動(dòng)曲面，并在“切削模式”項(xiàng)目?jī)?nèi)，選擇單相，將步距設(shè)置成6；在“投影矢量”項(xiàng)目?jī)?nèi)，點(diǎn)擊面向驅(qū)動(dòng)體；在“刀軸模式”項(xiàng)目?jī)?nèi)，點(diǎn)擊側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體；其他操作與設(shè)置和第一種方式一致。

2.2.4 基座表面與中心孔加工

主要由工序5 與工序6 完成，用于對(duì)整個(gè)試件加工精確度的測(cè)量。進(jìn)入創(chuàng)建工序界面，在“鉆孔模式”一欄內(nèi)，點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)鉆孔”，跳轉(zhuǎn)到孔加工界面；構(gòu)建鉆到模型，其半徑為8mm；設(shè)置基準(zhǔn)孔；將安全距離谷值設(shè)置成80mm；在“循環(huán)類型”項(xiàng)目?jī)?nèi)，選擇標(biāo)準(zhǔn)鉆。

2.3 五軸后處理

對(duì)于刀位軌跡資料來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床通常很難識(shí)別，無(wú)法直接將其應(yīng)用到S 型試件加工中。與此同時(shí)，不同類型機(jī)床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，連接的數(shù)控系統(tǒng)并不相同。所以，在得到刀位軌跡資料后，應(yīng)予以適當(dāng)處理，使其變?yōu)橄鄳?yīng)的程序代表，以被數(shù)控機(jī)床所識(shí)別。對(duì)于這一過(guò)程來(lái)說(shuō)，則是后置處理。本文研究中，采用的是專用后置處理元件，其中，UG/Post Builer 當(dāng)作開(kāi)發(fā)工具。在后置處理元件內(nèi)，針對(duì)機(jī)床類型與特點(diǎn)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。之后以此為基礎(chǔ)，將刀路軌跡資料傳輸?shù)胶笾锰幚碓?nèi)，自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的后置命令。

3 虛擬加工仿真

3.1 構(gòu)建仿真平臺(tái)

在數(shù)控仿真軟件方面，采用的是VERICUT 系統(tǒng)，針對(duì)機(jī)床的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，在該系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)建出相應(yīng)的機(jī)床模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在UG 界面內(nèi)，繪制出各機(jī)床的三維模型，并從以此為基礎(chǔ)，不斷導(dǎo)出各個(gè)組塊，然后針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其傳輸?shù)絍ERICUT 系統(tǒng)中，設(shè)置組件的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得到AB 雙擺頭五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床模型。得到機(jī)床模型后，應(yīng)將位置、運(yùn)動(dòng)模式等初始化處理，以使機(jī)床模型處于初始狀態(tài)。最后，在模型中，錄入相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以用于零件加工時(shí)的自動(dòng)化控制。本研究中，選擇的是840D 數(shù)控軟件。

3.2 NC 后置程序驗(yàn)證

在“項(xiàng)目樹(shù)”一欄內(nèi)，選擇“坐標(biāo)系統(tǒng)”，以構(gòu)建出新坐標(biāo)系；在坐標(biāo)系內(nèi)，點(diǎn)擊“Stock（0,0,0）”，選擇400×200×40mm 的矩形塊，以此得到毛坯模型；點(diǎn)擊“Design（0,0,0）”，導(dǎo)入試件的模型；右鍵點(diǎn)擊“加工刀具”，選擇“刀具管理器”，之后依次點(diǎn)擊“添加”“刀具”“新”“銑削”，由此構(gòu)建出6 把刀具；點(diǎn)擊“程序”一項(xiàng)，載入轉(zhuǎn)化后的后置指令；在“項(xiàng)目上述”一欄內(nèi)，點(diǎn)擊“工位：1”，選擇“G-代碼”，以跳轉(zhuǎn)到“徑向刀具補(bǔ)償”列表內(nèi)，并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)；選擇“G-代碼偏置”，設(shè)置坐標(biāo)系。之后點(diǎn)擊“保存”，并選擇“啟動(dòng)”，機(jī)床則自動(dòng)完成S 型試件加工操作。

3.3 模型誤差對(duì)比

通過(guò)該方式對(duì)S 型試件加工時(shí)，并未出現(xiàn)過(guò)切或少切的問(wèn)題，且整個(gè)加工過(guò)程中，并未出現(xiàn)碰撞，由此表明，該加工技術(shù)就有較好的應(yīng)用效果。為了進(jìn)一步了解不同S 型面精加工方法的精確性，本文還分別將上述介紹的四種方式錄入仿真軟件內(nèi)，并分解進(jìn)行了試件仿真加工分析。通過(guò)對(duì)四個(gè)分析模型的觀察可以發(fā)現(xiàn)，采用第一種方法時(shí)，在S 型試件表面內(nèi)，出現(xiàn)了大量圓形框，且面積很大，表明其存在很大的誤差；采用第二種方法時(shí)，也出現(xiàn)了較大面積的圓形狂，表明其誤差也較高。而采用后兩種方式時(shí)，圓形框的面積非常小，尤其是第三種方式，圓形框的面積可以忽略不計(jì)，由此表明，第三種方式的加工精確性最高。

4 切削試驗(yàn)

按照上述流程，以第三種S 面精加工方法為主，采用7075-T7451 鋁合金制作出了S 型試件，在試件緣條上，分別于10mm、22.5mm 與30mm 位置處，設(shè)置3 條截取線，并按照相同的間距，設(shè)置25 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，之后以此為基礎(chǔ)，通過(guò)與理論模型的比較，推導(dǎo)出各點(diǎn)位的法向誤差。最后，通過(guò)可視化技術(shù)手段，將法向誤差結(jié)構(gòu)投射到S 型試件表面上，利用不同的灰度值，對(duì)誤差情況進(jìn)行區(qū)分，表面越明亮，所存在的正誤差值越高，反之，負(fù)誤差值越高。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果觀察能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本文介紹的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，反向誤差較小，處于±50μm 范圍內(nèi)，符合規(guī)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械加工領(lǐng)域較為常見(jiàn)的零件加工方式，利用該技術(shù)不僅可以快速完成復(fù)雜零件的加工處理，而且還提升了零件加工的精確度，誤差控制在±50μm 范圍內(nèi)，符合規(guī)定要求，因而可將其推廣到復(fù)雜零件加工中。