利用角度頭的五軸宏程序加工

溫南方

摘 要：綜合運用角度頭、宏程序、模擬仿真等多項加工技術，在典型案例上實現內側不同結構的加工。利用角度頭可以解決常用刀柄無法加工內側尺寸的難題。宏程序可以充分發揮角度頭的作用。運用VERICUT軟件模擬，預防刀具與工件發生碰撞，檢查過切和殘留，優化加工參數。

關鍵詞：角度頭；VERICUT；模擬仿真；宏程序；加工

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0040-01

航空發動機上的工件結構復雜，空間有限，從工藝制造學上來說，可加工性較差，尤其在工件內側。車銑刨磨等常規加工方法不能實現，大量依靠非常規加工，如線切割、電火花，而非常規加工中工藝控制要求嚴格，加工效率比常規加工低得多，兩者相比相差10倍以上。

1 典型案例分析

工件內側需要加工8個槽，位于安裝邊下方。其中4個槽寬6mm，圓角為R0.5mm，內側為平面；另外4個槽寬13mm，圓角為R0.5mm，內側為R73mm的圓弧，此案例中普通的刀柄是無法加工的。能夠實現內側槽加工加工方案有兩種：第一種是電火花加工，第二種是采用角度頭加工。

在電火花加工方案中至少需要兩種電極，加工一件的時間在8小時以上，加工周期長。

在角度頭加工方案中，存有諸多問題。問題1：角度頭與主軸成90°角度，工件上4個方位，需要4次裝夾，找正不方便；問題2：數銑的刀具伸長存在的誤差為±0.5mm，不能通過刀具長度偏置G43補償角度頭刀長；問題3：因需要固定刀具方向，角度頭不能使用自動換刀功能；問題4：內側R73mm的圓弧如何形成。

2 設備選擇和程序編制

為了達到加工效率最大化，采用第二種采用角度頭的加工方案。針對分析提出的4個問題，制定4項措施。

措施1：在轉臺上一次裝夾代替多次裝夾。

選擇有轉臺的數控設備或五軸加工中心，旋轉軸帶動工件轉動，實現工件4個方位的加工。操作時，只需加工前將工件裝夾在旋轉軸上，即可完成每一個工位的加工。

措施2：用宏程序計算刀具補償值。

數控設備的G43位刀具長度偏置，偏置方向為主軸方向，不適用于角度頭上刀具長度偏置。為此，有必要使用宏程序來編程，使用一個變量（#1）表示實際刀具伸長，通過公式計算出補償量。案例中4個寬6mm，內側為平面的槽的宏程序內容及解釋如（表1）。

宏程序中可以實現角度頭上刀具伸長的自動補償。變量#1為輸入刀具實際伸出長度。當刀具伸出長度等于60mm時，變量#501為0，按理論值加工；當刀具伸長大于60mm時，變量#501為負數，執行局部坐標系，刀具后退；當刀具伸出長度小于60mm時，變量#501為正數，執行局部坐標系，刀具前進。

措施3：用1把刀將8個槽全部加工完成。

寬13mm槽和寬6mm槽的刀具均為φ6mm，R0.5mm銑刀，目的是用1把刀將所有加工內容完成，不必進行換刀。

在局部坐標系使用變量#501，其目的是加工后面加工是時用到變量#501，不需在每一段輸入刀長值，防止遺漏。因為#501為公共變量，即使斷電也不丟失。

措施4：設計宏程序，將圓弧按曲面加工。

在4個寬13mm槽，側面是R73mm的圓弧，相當于數銑中曲面加工，編程時采用平行式曲面加工，即轉臺旋轉一定角度后，刀具沿Z軸進行上或下運動。

曲面加工的程序通常是編程軟件生成的，采用大量的小段直線去插補曲面加工。這樣的程序有一個缺點：曲面曲率越大、曲面加工精度越高，所生成的數控程序越長，而且調整非常不便。宏程序可以解決精度大小與程序長短的矛盾。寬13mm槽的宏程序采用兩級循環嵌套。第一級循環與寬6mm槽的程序類似，實現不同角度加工和刀具伸長補償。第二級循環為曲面加工循環，通過調整控制步距的變量：#3，可以調整曲面加工精度，獲得需要的粗糙度等級。曲面加工采用宏程序后，程序大大簡化。

3 用VERICUT進行模擬仿真

角度頭要進入工件內側進行加工，并且工件的上端有安裝邊，為了避免角度頭、刀具與工件發生碰撞，加工前需要在計算機進行模擬仿真。常用的仿真軟件是VERICUT，該軟件采用了三維顯示及虛擬現實技術，可以驗證和檢測NC程序可能存在的碰撞、干涉、過切、切削參數不合理等問題，較廣泛的應用于航空、航天、船舶、電子、汽車、機車、模具、動力及重工業的三軸及多軸的實際生產中。

在建立仿真模型中難度最大的是刀具方向、伸長設置。仿真軟件中默認刀具是在主軸中心線上，而角度頭、刀具與主軸中心線成90°，刀具朝X軸正方向加工。

第1步：在VERICUT中選擇“刀具組件”選項卡設置刀具直徑、圓角半徑、高、刃長、刀桿直徑、主軸方向后，點“添加”按鈕，出現了豎直的刀具圖形。

第2步：選擇“組合”選項卡中可以設定刀具移動，角度設置為：0 -90 0，表示刀具繞Y軸旋轉-90°；位置設置為：60 0 0，表示刀具沿X軸移動60mm，得出理論刀具伸長，點擊“修改”按鈕，刀具圖形變為水平，刀具設置成功。

第3步：將刀柄組件建立比例為1：1的方塊、圓柱、圓錐即可完成角度頭刀柄建模。

通過VERICUT確定變量#3的合理設置。在VERICUT模擬仿真中使用“自動-比較”功能計算過切和殘留，因而可以將控變量#3設置的更為合理，一方面保證曲面精度和粗糙度，另一方面時間最短。程序中#3=0.08，精度在0.003mm，滿足要求，加工時間為19分鐘。

4 結語

角度頭是一種機床附件，機床安上角度頭后刀具旋轉中心線可以與主軸旋轉中心線成角度加工工件。

用戶宏程序由于允許使用變量、算術和邏輯運算及條件轉移，使得編制同樣的加工程序更簡便。宏程序可以設置變量解決角度頭刀具長度補償的難題，充分發揮角度頭的作用。在曲面加工編程中，宏程序程序更具有可讀性，可以方便調整曲面精度和表面粗糙度。

模擬仿真是在計算機上模擬數控加工。通過模擬仿真，可以將數控程序試加工的步驟在計算機上完成，減少浪費，提高驗證數控程序的效率。

綜合運用角度頭、宏程序、模擬仿真等多項加工技術，來解決工件加工的問題，將可加工性較差的內側加工轉化思路，可以將需要用非常規加工的內容采用數銑完成，大大縮短加工時間，實現快速加工。

參考文獻

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