四軸零件特征及其典型零件的數控加工

伍偉杰，唐家會，李文輝

（順德職業技術學院，廣東 順德 528300）

隨著產品造型及其結構的人性化、多樣化、藝術化和功能復合化，常規的三軸加工技術越來越不能滿足其加工要求，四軸、五軸等以上軸數的多軸加工技術，正快速地普及到民用工業當中。多軸加工技術，可以加工復雜的空間曲面，實現復雜產品造型及其模具的加工，而且刀具或刀具姿態角可調，避免刀具干涉、欠切或過切，簡化刀具形狀的同時，充分發揮刀具的切削性能；多軸加工技術還可以進行一次裝夾，多工位加工，確保復雜零件的形位精度；多軸加工技術大大減免了專用工裝夾具和專用加工設備的使用，而使用常規夾具即可完成裝夾與加工制作，避免了復雜或過度工裝的設計與制造，顯著減少制造的輔助時間，提高加工精度和制造效率。

四軸加工設備可在現有的臥式或立式數控銑床（加工中心）上增加一個數控轉臺，即在X、Y、Z三軸基礎上，構置多一個旋轉軸（A軸或B軸），這在當前是較為經濟可行的實施方案，也越來越多在企業中得以應用。

相對于昂貴及需高端技術支持的五軸加工設備，四軸加工設備配置簡單，可通過改造現有設備實現，投入費用低，編程操作容易，人員配套容易。在當前的民用產品和工業裝備制造領域，需要四軸加工的零件市場額度大，普及更加迅速。

1 四軸零件特征

四軸零件特征主要指特征的中心線不平行、特征中心對稱面為空間曲面及類似特征加工，如中心線平行于某一平面，而在平面內投影不平行的孔系加工，螺旋槽加工，倒勾面及回轉體零件加工，某些斜面等特征（三軸加工要用球刀，四軸加工可用立銑刀，能獲得較高的效率和表面品質），等等。

四軸零件特征一般依附在常規的三軸加工特征上，并非完全在CAD/CAM軟件上使用四軸刀路進行一個零件所有的編程，而是零件常規特征首先使用三軸刀路完成編程及粗精加工，再進行四軸零件特征的四軸刀路編程及粗、精加工，而且必要的四軸特征，亦一般優先使用三軸刀路進行開粗。

綜合比較四軸零件的加工特征，主要分為兩大類：回轉定向加工特征，聯動加工特征。

（1）回轉定向加工。首先通過數控轉臺（旋轉軸）旋轉定位，繼而利用三軸（直線軸）刀路進行周向結構的加工，如圖 1（a）所示。

（2）聯動加工。通過旋轉軸（A軸或B軸）和直線軸（X、Y、Z軸）的同時運動，進行包括1個直線軸和1個旋轉軸的2軸（1+1）聯動加工、2個直線軸和1個旋轉軸的三軸（2+1）聯動加工、或3個直線軸和1個旋轉軸的四軸（3+1）聯動加工：

其一，三軸聯動加工，主要特征是圓柱體上的螺旋槽結構、紋理雕刻、法向曲面等等，典型結構如圖1（a）、（b）、（c）所示；

其二，四軸聯動加工，主要特征是非圓柱體、非圓柱體上的螺旋槽、紋理雕刻、法向曲面、非圓回轉的彎扭葉片等等，典型結構如圖 1（d）、（e）、（f）所示。

圖1 典型的需配置旋轉軸加工的零件特征

2 典型四軸零件的數控編程與加工

四軸零件特征主要是回轉體、非圓回轉體結構特征，或其上的定向加工特征。因此，四軸零件一般的工藝過程，是先車后銑的復合加工。圖2所示的旋蓋零件，是較為典型的四軸零件，作為所屬部件的外觀件，既要求保證階梯內孔與芯軸的相對運動配合性能，也要求其外觀結構相對位置精度高，表面光潔度好且美觀。

圖2 旋蓋零件的主要結構特征

旋蓋的結構特征分析及工藝編排如下：

（1）旋蓋（旋蓋冠、旋蓋環）基體特征為圓柱，外觀表面光潔度好，適合數控車削加工；

（2）中心階梯孔與芯軸配合，要求較高的同軸度、圓度和表面光潔度，適合數控車削加工；

（3）頂部凹槽及光孔適合數控銑削加工；

（4）旋蓋冠的對稱放樣曲面及標志有90°的周向位置要求，旋蓋環的階梯槽、螺孔、徑向開槽同樣有周向位置要求，適合四軸的回轉定向加工；

（5）徑向開槽若用三軸刀路需使用球刀加工，而在四軸刀路中可使用平刀的側刃進行聯動加工，提高效率及表面品質。

旋蓋零件材料為鋁，數量不多，為小批量生產，毛坯采用實心圓棒料，規格為：直徑Ф 105 mm，高度90 mm。

數車加工采用硬質合金的機夾式刀具，數銑加工采用高速鋼的整體式刀具。旋蓋零件的結構較多，工藝過程依照裝夾次數最少原則，編排結構特征的加工順序，而每一結構特征分粗、精加工兩工步進行。粗加工用大刀具快速地加工出工件大致形狀，保留適當余量，精加工根據具體結構特征，采用不同的刀具及工藝分區域加工，保證加工效果和加工精度。

主要的工藝過程如表1所列。

表1 旋蓋零件數控加工工藝過程

2.1 數控車削加工

車削加工相對銑削加工能有效保證回轉體的圓度精度、軸階梯的同軸度、加工面的表面粗糙度，因此工藝過程首先編排在數控車床上加工旋蓋零件的回轉結構（外圓柱面、階梯內孔），數控車床工位上分兩工步進行，工序結構如圖3所示。

圖3 數控車削工序結構

第一工步，卡盤夾緊旋蓋環端，夾持長度約30 mm，車削旋蓋冠端外圓柱面；先鉆后鏜加工此端的光孔。

第二工步，卡盤夾緊旋蓋冠端，裝夾面輔以紫銅皮保護，打表找正保證其同軸度，車削旋蓋環外圓柱面；先鉆后鏜加工此端階梯孔（與芯軸配合）。

2.2 頂部凹槽、孔、標志平面的銑削加工

采用卡盤裝夾，卡盤用壓板固定在工作臺面，夾緊旋蓋環端，打表調平。頂部凹槽采用平底銑刀用2.5軸環切刀路完成粗、精加工，兩個光孔使用Ф 7.8 mm鉆頭預鉆，再使用Ф 8 mm鉸刀精加工。

加工標志平面的主要目的，是標志平面作為后續工步的對刀基準，確保結構之間的位置精度，此處使用Ф 20 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路完成粗、精加工。工序結構如圖4所示。

圖4 頂部銑削加工

2.3 旋蓋環上特征的銑削加工

數控轉臺（A軸）卡盤夾持旋蓋冠端，卡爪錯開避免夾持住標志平面。以標志平面為對刀基準，使用四軸加工技術，來有效保證徑向開槽等結構特征的相對位置。螺孔采用Ф 6.7 mm鉆頭預鉆，M8×0.75絲錐攻牙。階梯槽使用Ф 8 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路完成粗、精加工。徑向開槽借助四軸聯動加工策略，采用CimatronE的五軸側向銑刀路，后置處理為四軸加工程序，使用Ф 8 mm的平底銑刀側刃，層深0.2 mm，進退刀點選取槽外部，分粗、精加工完成，如圖5、圖6所示。

圖5 旋蓋環上特征加工

圖6 徑向開槽加工的刀路軌跡

旋蓋環內孔暫不加工的目的，是保證后續夾持旋蓋環端加工旋蓋冠時的夾持位置和夾持剛度。

2.4 旋蓋冠上特征的銑削加工

數控轉臺（A軸）夾持旋蓋環端，以標志平面為對刀基準，使用四軸加工技術來有效保證放樣曲面等結構特征的相對位置。標志使用雕刻尖刀用2.5軸開放輪廓銑刀路加工，刻畫深度為0.1 mm。對稱放樣曲面通過數控轉臺旋轉定向，首先三軸環切開粗，再使用R 3 mm球刀用三軸精銑所有刀路精加工，平面部分用Ф 20 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路精加工。工序結構如圖7所示。

圖7 旋蓋冠的標志雕刻及對稱放樣面銑削加工

2.4 旋蓋冠上特征的銑削加工

平口鉗夾持旋蓋冠對稱放樣曲面的平面部分，對刀找準工件，使用Ф 16 mm平底銑刀用2.5軸環切刀路完成旋蓋環內孔的粗、精加工，得到完成的階梯槽及徑向開槽的完整結構，完成旋蓋零件的全部加工，加工過程及所在部件裝配圖如圖8所示。

圖8 旋蓋零件的加工與實物圖

3 結束語

四軸加工技術投入成本不高，負擔不大，結合常規數控機床實現數控車削和數控銑削的復合加工，在回轉體、非圓回轉體結構的加工及其多特征的定向加工方面，在工裝和設備使用、加工效果、加工效率等方面，對民用產品和工業裝備零部件的制造效益，具有顯著的促進作用。

[1]賴新建，曾昭孟，何華妹.CimatronE多軸數控加工基礎教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.