復(fù)雜曲面零件的五軸數(shù)控加工技術(shù)研究

張映故

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545000）

隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各行各業(yè)不斷進(jìn)行改革，對(duì)裝備性能的要求不斷提高，使得精密復(fù)雜曲面零件得到了廣泛應(yīng)用。精密復(fù)雜曲面零件的加工，在原來(lái)形位精度要求的基礎(chǔ)上增加了性能指標(biāo)要求，為其加工技術(shù)的革新提供了契機(jī)。在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域，多軸數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為制造加工業(yè)的代表性技術(shù)，在運(yùn)載工具、國(guó)防裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件加工中發(fā)揮著重要作用。

1 曲面驅(qū)動(dòng)刀軌規(guī)劃

曲面驅(qū)動(dòng)是復(fù)雜曲面加工的重要方法。驅(qū)動(dòng)刀軌的規(guī)劃直接關(guān)系到曲面物理特性的有效控制。刀軌規(guī)劃的本質(zhì)是基于最大加工殘留高度的約束，以合理、有效且科學(xué)的安排布局，達(dá)成對(duì)所有曲面全面覆蓋的一族曲線。刀軌規(guī)劃一是曲面上曲線族的確定與選擇，二是設(shè)計(jì)曲面上曲線族的排布方式。曲面上的曲線可以是等殘留高度線、等截面線、測(cè)地線等。曲線軌跡排布方式也各具特點(diǎn)，如Zig-Zag 排布、螺旋排布等[1]。

基于加工精度要求、復(fù)雜程度、方式、效率等，確定合適的曲線族、排布方式等，以保證生產(chǎn)條件參數(shù)及刀軌迅速生成，滿足復(fù)雜曲面零件加工要求。一般情況下，實(shí)際生產(chǎn)使用的刀軌包含如下3 種：第一，等平面刀軌，適用于網(wǎng)格、點(diǎn)云、參數(shù)曲面等多描述模型；第二，等殘留高度刀軌，關(guān)注加工效率；第三，等參數(shù)刀軌，計(jì)算簡(jiǎn)單便捷。

為迅速提高工藝的實(shí)用性、加工效率等，可以及時(shí)利用裁減曲面的重新參數(shù)化，針對(duì)參數(shù)軌跡規(guī)劃、螺旋軌跡設(shè)計(jì)等做出規(guī)范化設(shè)計(jì)，以合理選取的初始驅(qū)動(dòng)軌跡來(lái)替代邊界曲線，從而進(jìn)一步縮短等殘留刀軌長(zhǎng)度[2]。同時(shí)，需要根據(jù)零件表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)、曲面曲率分布標(biāo)準(zhǔn)等，優(yōu)化曲面及平行截面截交方向，以提升加工效率與精度。

2 復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工的工裝方案設(shè)計(jì)

工業(yè)4.0 的到來(lái)促使復(fù)雜曲面在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。五軸數(shù)控加工技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)顯著，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的制造效果提供保障。為探究應(yīng)用五軸數(shù)控加工技術(shù)加工復(fù)雜曲面零件的效果，以佛像為例，研究五軸數(shù)控加工策略，并進(jìn)行試制加工。

該零件高度為155 mm，最大直徑為108 mm，毛坯為直徑110 mm、長(zhǎng)156 mm 鋁合金圓柱體，底部設(shè)計(jì)有4 個(gè)直徑6 mm 螺紋孔，深度控制在20 mm，而后需進(jìn)行加工工裝的確定。在五軸數(shù)控機(jī)床中，為確保加工精度，通常需要采用特殊的夾具和夾持方式，使工件在多軸運(yùn)動(dòng)中能穩(wěn)固定位。圖1 為該零件的夾具。頂部為裝夾面，包括2 個(gè)直徑6 mm 定位孔和4 個(gè)直徑6.5 mm 通孔。中間為支撐體，主要作用是提高零件高度，避免在臥式銑削過(guò)程中刀柄和工裝產(chǎn)生干涉。底部有開(kāi)槽口，作用是方便零件在機(jī)床工作臺(tái)上裝夾。

圖1 夾具

該零件的加工過(guò)程包括如下步驟。第一，開(kāi)粗加工。采用型腔銑削的策略，分別進(jìn)行前開(kāi)粗、左開(kāi)粗、右開(kāi)粗。第二，清角加工。佛像正面清角加工的重點(diǎn)是切除復(fù)雜曲面零件粗加工過(guò)程中沒(méi)有切除的余量。第三，精加工。清角加工完成后，采用可變輪廓銑加工策略進(jìn)行精加工。在設(shè)置刀路時(shí)，需要在零件表面設(shè)置2 個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)面，確保生成刀路光順、連續(xù)。第四，倒角、刻字。采用可變輪廓銑加工策略進(jìn)行倒角加工、刻字加工。整改加工過(guò)程的具體加工工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 加工工藝參數(shù)

3 復(fù)雜曲面五軸數(shù)控加工策略與試制加工

3.1 加工策略

佛像的五軸數(shù)控加工策略可分為粗加工和精加工兩種。粗加工包含的工序有左開(kāi)粗工序、右開(kāi)粗工序、前開(kāi)粗工序以及清角加工工序。在前兩道工序中，機(jī)床利用B軸旋轉(zhuǎn)由立式變?yōu)榕P式銑削模式。在設(shè)置切削層時(shí)，需要確保左開(kāi)粗加工與右開(kāi)粗加工兩刀路間存在約1 mm 的重疊加工區(qū)域，以規(guī)避欠切削問(wèn)題[3]。由于將加工模式確定為五軸定位臥式，需要重點(diǎn)考量機(jī)床作業(yè)刀具、行程、刀柄等的安全高度，保證行程、刀具和刀柄長(zhǎng)度等參數(shù)滿足一定關(guān)系，表達(dá)式為

式中：LX為機(jī)床X軸的行程；Ld為刀具與刀柄的總長(zhǎng)度；Dm為毛坯的直徑；Ha為刀軌安全高度。

只有刀路、行程、刀具刀柄長(zhǎng)度等參數(shù)滿足式（1），才能有效規(guī)避超行程現(xiàn)象的發(fā)生。在零件的前開(kāi)粗和清角加工中，需保證刀軸及X軸的正向夾角為40°。在前開(kāi)粗刀軌設(shè)置過(guò)程中，為迅速提升加工效率，要進(jìn)行左開(kāi)粗加工刀路、右開(kāi)粗加工刀路的逆概率加權(quán)法（Inverse Probability Weighting，IPW）計(jì)算，以獲得前開(kāi)粗加工毛坯。此外，清角加工的切削參數(shù)設(shè)置中存在“空間范圍”選項(xiàng)，在該選項(xiàng)中可將參考刀具設(shè)置為直徑2 mm 立銑刀具。

精加工策略為可變輪廓銑加工。該策略為多軸加工編程策略，因此在設(shè)置加工參數(shù)時(shí)，要關(guān)注投影矢量參數(shù)、刀軸參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式等。同時(shí)，由于佛像的曲面主要由眾多不規(guī)則非直紋曲面組合而成，具有曲率變化大的特征，如果利用零件自身的曲面生成刀路，極易出現(xiàn)刀路不光順、程序計(jì)算量龐大等問(wèn)題。基于此，經(jīng)過(guò)綜合考量，確定采用曲面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，要求刀軸、投影矢量均垂直于驅(qū)動(dòng)體設(shè)置。

由于佛像存在曲面曲率較大的問(wèn)題，不能被確定為驅(qū)動(dòng)體，需要將零件精加工刀路的可變輪廓設(shè)計(jì)成規(guī)律的UV 曲面。零件底座近似規(guī)則形狀，整體形成單一驅(qū)動(dòng)面，在加工底座時(shí)極易發(fā)生刀軸變化率增大的現(xiàn)象。這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行上、下2 個(gè)驅(qū)動(dòng)面的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[4]，上驅(qū)動(dòng)面曲率變化較大，下驅(qū)動(dòng)面曲率變化較小。在底座精加工刀路設(shè)置過(guò)程中，如果刀路和底座上部幾何特征發(fā)生干涉，可以向“指定部件”添加干涉幾何體，以避免干涉刀路的情況。在“曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)方式”的對(duì)話框中，將切削模式轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)為“螺旋”，將步距設(shè)成“殘余高度”，在粗加工中確定該值為0.3 mm，在精加工中確定該值為0.15 mm，確定切削公差為0.01 mm，以保證精加工效果。

3.2 試制加工

在試制加工時(shí)，由于左開(kāi)粗、右開(kāi)粗均以五軸定位臥式銑削模式為主，需確定刀具伸出長(zhǎng)度L1比切削深度Ht大，并保證Ht與重疊區(qū)域的深度Hc滿足一定關(guān)系，表達(dá)式為

在參數(shù)滿足式（2）的前提下，因?yàn)槊髦睆綖?10 mm，所以刀柄及工件干涉問(wèn)題可以避免。左開(kāi)粗、右開(kāi)粗過(guò)程中的重疊區(qū)域深度已確定為1 mm，因此實(shí)際加工中刀具的伸出長(zhǎng)度應(yīng)在56 mm 以上。

在對(duì)刀過(guò)程中，因?yàn)榫幊淘c(diǎn)一般在佛像模型底部中心位置，再加上該零件高度為155 mm，所以為規(guī)避毛坯表面不平整現(xiàn)象，需將毛坯表面Z軸高度設(shè)置為156 mm，并將其進(jìn)行1 mm 的去除，以保證零件頂部的平順、光整。

試制加工采用的設(shè)備為五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，在精加工刀路設(shè)計(jì)中，進(jìn)刀模式需確定為沿形狀斜進(jìn)刀形式，這是因?yàn)槿绻麑⑦M(jìn)刀模式設(shè)置為螺旋進(jìn)刀形式，極易發(fā)生執(zhí)行程序報(bào)警的情況[5]。此外，基于零件形狀，將公共安全設(shè)置為“包容圓柱體”，以規(guī)避起刀點(diǎn)超行程問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)試制加工后，通過(guò)采用確定好的導(dǎo)軌規(guī)劃方案、工藝策略，佛像的加工效率與質(zhì)量有了顯著提升。精加工時(shí)間明顯縮短，減少約2 h；表面粗糙度大幅降低，由3.2 μm 降低至1.6 μm；試制件的精度、尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與要求。

在五軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用中，還需要規(guī)避奇異性問(wèn)題。它屬于刀具姿態(tài)優(yōu)化的范疇，會(huì)直接影響工件表面質(zhì)量。奇異性的調(diào)整與優(yōu)化，是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的飛速發(fā)展，五軸數(shù)控加工技術(shù)作為高端制造技術(shù)的代表，逐漸成為機(jī)械制造中必不可少的加工技術(shù)。相比傳統(tǒng)的三軸數(shù)控機(jī)床，五軸數(shù)控機(jī)床在多軸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加了2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，極大地拓展了加工自由度。五軸數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特之處在于五軸聯(lián)動(dòng)能力，通過(guò)對(duì)A軸和C軸的聯(lián)動(dòng)控制，刀具可以在多個(gè)方向上同時(shí)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更加靈活的切削，這對(duì)于曲面加工、復(fù)雜幾何形狀的零部件制造至關(guān)重要。文章旨在為復(fù)雜曲面零件五軸數(shù)控加工技術(shù)的應(yīng)用提供一定借鑒與參考，希望相關(guān)研究人員進(jìn)行更深入的分析與探討，以促進(jìn)我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。