異形體的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工

宋理敏，賈磊，李粉霞

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治 046011)

異形體的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工

宋理敏，賈磊，李粉霞

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治 046011)

基于CAXA制造工程師2011軟件平臺(tái)，針對(duì)某一具體異形體零件，建立其三維模型，制定了加工策略，合理規(guī)劃刀具軌跡，再導(dǎo)入VERICUT軟件進(jìn)行仿真加工，最后利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，一次裝夾完成了全部加工，經(jīng)檢測(cè)完全滿足圖紙要求，從而進(jìn)一步體現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在實(shí)際加工中的優(yōu)勢(shì)。

異形體;五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心;數(shù)控加工

隨著航空航天、兵器、船舶及汽車(chē)等機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜、精密。普通的3軸數(shù)控加工中心已不能滿足加工需要，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的出現(xiàn)適應(yīng)了產(chǎn)品生產(chǎn)的要求，并成為未來(lái)機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展和普及的方向。針對(duì)一個(gè)存在倒扣面的異形體零件 (見(jiàn)圖1所示)，利用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，一次裝夾完成了全部工序的加工，解決了三軸數(shù)控機(jī)床無(wú)法完成的曲面零件的加工。

圖1 異形體零件

1 零件的加工分析

由圖1可以看出，該異形體零件主要由U形倒杯體、底座和過(guò)渡曲面組成，加工材料為45號(hào)鋼。結(jié)構(gòu)上看似簡(jiǎn)單，但由于存在倒扣面，所以采用三軸數(shù)控機(jī)床無(wú)法完成零件的加工。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心在3個(gè)直線軸X、Y、Z的基礎(chǔ)上增加了2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，可以控制刀具的軸線方向隨加工表面法線方向的不同而進(jìn)行相應(yīng)的改變，從而可以加工復(fù)雜曲面或三軸無(wú)法完整加工的曲面。因此該異形體零件需采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心進(jìn)行加工［1］。

2 零件的參數(shù)化建模

利用CAXA制造工程師2011軟件進(jìn)行零件的幾何建模［2］:

(1)利用放樣命令生成U形倒杯體;

(2)利用拉伸增料生成底座;

(3)利用過(guò)渡命令進(jìn)而生成完整的異形體模型(見(jiàn)圖2所示)。

圖2 異形體零件三維模型

3 零件的加工策略規(guī)劃

粗加工。為了提高加工效率，應(yīng)首先采用固定軸功能和分層切削的方式，利用平底立銑刀對(duì)毛坯進(jìn)行粗加工，保證大面積加工余量在最短時(shí)間內(nèi)被去除。

半精加工。利用五軸聯(lián)動(dòng)功能，采用與加工表面的幾何特性相適應(yīng)的刀具軌跡，對(duì)不同表面進(jìn)行半精加工，確保去除粗加工后的大余量，使各加工表面保留適當(dāng)、均勻的精加工余量。

精加工。為了保證零件加工的精度、表面質(zhì)量和效率，最后利用五軸聯(lián)動(dòng)功能，采用球頭銑刀分別對(duì)不同的表面進(jìn)行精加工。

4 刀具軌跡的生成

刀具軌跡的生成是實(shí)現(xiàn)曲面數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理的刀具軌跡，不僅可以提高曲面加工的質(zhì)量和效率，還可以充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的加工能力［3－6］。

圖3 異形體零件粗加工刀具軌跡

該異形體加工中，粗加工采用3軸的平面區(qū)域粗加工，利用φ8的平底立銑刀對(duì)毛坯進(jìn)行分層加工，平面區(qū)域粗加工可以高效地去除大余量，為半精加工創(chuàng)造條件。其刀具軌跡如圖3所示。

半精加工中，U形杯體倒扣面及底座上表面利用φ8的球頭銑刀，采用3軸生成軌跡轉(zhuǎn)五軸進(jìn)行五軸側(cè)銑加工，五軸側(cè)銑既可獲得較好的表面，又可提高切削效率，而且避免了加工過(guò)程中刀具的零線速度切削。可通過(guò)設(shè)定加工參數(shù)來(lái)控制刀具軸線與加工面的角度，其刀軸控制參數(shù)設(shè)置如圖4所示。U形倒杯體內(nèi)杯面的半精加工利用φ8的球頭銑刀采用3軸的參數(shù)線精加工。零件主要加工面的半精加工刀具軌跡如圖5所示。

圖4 刀軸控制

圖5 異形體零件半精加工刀具軌跡

精加工中，U形倒杯體倒扣面及底座上表面利用φ8的球頭銑刀仍采用五軸側(cè)銑進(jìn)行加工，U形倒杯體內(nèi)杯面利用φ8的球頭銑刀采用3軸的等高線精加工。過(guò)渡面的加工也采用五軸側(cè)銑加工。零件的精加工刀具軌跡見(jiàn)圖6所示。

圖6 異形體零件各部分精加工刀具軌跡

5 零件的仿真加工

零件的刀位文件生成以后，通過(guò)多軸后處理設(shè)置轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控程序，再將生成的數(shù)控程序?qū)隫ERICUT7.0數(shù)控仿真加工軟件進(jìn)行零件的仿真加工。仿真加工時(shí)構(gòu)建的機(jī)床要與實(shí)際加工機(jī)床結(jié)構(gòu)一致，零件的安裝位置也與在實(shí)際機(jī)床上的位置一致。通過(guò)仿真加工，可以驗(yàn)證刀具軌跡的合理性，檢查實(shí)際加工過(guò)程的干涉碰撞現(xiàn)象，還可檢驗(yàn)后置處理設(shè)置及生成的數(shù)控加工程序的正確性，從而優(yōu)化了刀具軌跡，降低了零件實(shí)際加工的出錯(cuò)率，使零件的加工效率和加工精度得到了提高［7－8］。該零件的仿真加工見(jiàn)圖7所示。

圖7 異形體零件的仿真加工

6 零件在機(jī)床上的實(shí)際加工

圖8 異形體零件實(shí)物

零件仿真加工通過(guò)以后，即可將優(yōu)化后的數(shù)控加工程序?qū)雽?shí)際機(jī)床進(jìn)行零件的實(shí)際加工。零件實(shí)際加工使用的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，C軸可在0°～360°范圍內(nèi)連續(xù)回轉(zhuǎn)，A軸可在－10°～100°的范圍內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)。將毛坯用安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上三爪直接夾持，一次裝夾完成了零件的全部加工，經(jīng)檢測(cè)，尺寸精度、表面質(zhì)量全部合格。加工后的實(shí)物見(jiàn)圖8所示。

【1】耿曉明，張忠遠(yuǎn).數(shù)控加工中發(fā)揮五軸設(shè)備優(yōu)勢(shì)的分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(4):27－30.

【2】劉穎.CAXA制造工程師2008實(shí)例教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

【3】樂(lè)英，韓慶瑤，賈軍.復(fù)雜曲面數(shù)控加工刀具軌跡的生成技術(shù)［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(6):25－27，48.

【4】畢俊喜，祈欣.維納斯雕像在五軸數(shù)控加工中的實(shí)現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010(3):101－105.

【5】祁欣，劉明燈.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控技術(shù)的加工案例［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009(6):17－20.

【6】陳文濤，夏芳臣，涂海寧.基于UG＆VERICUT整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(2):102－104.

【7】楊勝群.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

【8】李輝.基于VERICUT的數(shù)控加工仿真在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2010(6):54－55.

Five-axis Controlled CNC Machining of Special Shape Parts

SONG Limin，JIA Lei，LI Fenxia
(Shanxi Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China)

Based on CAXA Manufacturing Engineer(2011 version)，a feasible five-axis controlled CNC machining of a special shape part was put forward.Firstly，the 3-dimension model was set up.Secondly，the machining policy and the tool track were planed.Then，VERICUT software was used to realise simulating processing.Finally，the actual machining was finished by using a five-axis controlled CNC machining center with double tables.The process shows the advantages of five-axis controlled CNC machining center.

Special shape part;Five-axis controlled CNC machining center;CNC machining

TH164

B

1001－3881(2014)8－059－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.020

2013－02－28

2012年山西省高等學(xué)校科技研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目 (20121135);2012年山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目 (JKY－12003)

宋理敏 (1975—)，女，碩士研究生，副教授，現(xiàn)從事數(shù)控技術(shù)方面的教學(xué)研究。E－mail:416450593@qq.com。