蜘蛛模型三軸數控銑加工工藝

葉康智 黃麗源 傅一渠

廣東機電職業技術學院 廣東 廣州 510550

1 引言

蜘蛛模型是加工難度較高的產品，通常需要五軸加工中心才可以完成。由于五軸機床價格昂貴且尚未普及，所以在沒有五軸加工中心設備情況下，通過分析蜘蛛模型的三軸數控銑加工工藝，從而完成模型加工。其中包括工藝裝夾方案，工藝順序，刀柄和刀具的選擇，切削三要素的確定等。確定方案后，再采用UG8.5軟件對蜘蛛模型進行編輯輔助曲線和曲面，編輯加工刀路進行二維和三維仿真加工，確保刀路軌跡無問題再進行NC代碼后處理，最后進行上數控銑床加工。圖1為蜘蛛的3D模型。

圖1 蜘蛛3D模型

2 蜘蛛模型分析

2.1 模型結構分析 蜘蛛3D模型的整體外形尺寸為153mm*114mm*46.5mm，整個模型都是曲面，由蜘蛛身體、八只腳和兩根觸須組成一體。整體結構強度不高，關節處最小尺寸不足1mm，屬于細小復雜多軸產品，而且該產品是工藝品類，表面粗糙度要求高。

2.2 加工難點分析 該模型無論是編程和加工難度都很高，考慮的東西很多，對工藝編制是一個很大的考驗，同時產品很多部位太過細小，加工難度不低于薄壁件。該模型的難度在于模型部位特征太過于細小和裝夾。雖然整體的模型尺寸很大，但是由于模型的特殊性，仍有很多部位細小，加工過程易變形。多次裝夾加工接刀位置很容易產生較大的接痕，粗糙度、精度更加無法保證。模型結構比較獨特，自身全是曲面，完全沒有任何可以用于夾持部分，也沒有任何部位可以用來定位的部分，所以必須考慮工藝裝夾。必須選擇足夠大的毛坯，同時借助模型外材料邊框定位，蜘蛛模型的腿部和觸須末端與邊框相連，保證強度。

2.3 加工注意事項 蜘蛛模型屬于復雜產品，工藝步驟較多，加工時需要注意很多東西，一旦出現任何問題都會導致加工失敗。首先要注意的是裝夾，避免加工完第一步就無法進行下一步，編制工藝一定要考慮下一步加工內容，考慮好整體步驟流程。第二需要考慮好刀柄和刀具，根據模型確定好使用的刀柄類型、大小和型號，以及確定好使用的刀具以及裝刀長度。既要保證刀長足夠加工，不能因為刀具不夠長而刀柄導致撞到工件，又要考慮刀具的強度，不能裝夾過長容易斷刀和過于震動使得工件過切。第三需要注意填充物的選擇和使用，充分考慮好是否會變形以及能否加工完成清除干凈，以及強度能否達到加工要求等

3 蜘蛛模型的三軸加工工藝設計

3.1 整體加工工藝方案 根據蜘蛛模型結構，采用三軸數控銑加工至少通過三次裝夾才可以完成，刀軸方向分別從蜘蛛垂直背面方向、垂直底部方向和頭部指向尾部方向。其中第一、二次裝夾可完成絕大部分加工內容，第三次裝夾主要清除觸須根和頭部余量。首先通過UG軟件進行設計邊框用于裝夾加工，確定好擺正與模型相對位置，確定好相應的刀具量具，確定好加工順序，先加工背部一面，再加工底部一面，最后加工頭部一面，每一次裝夾加工后需要做好第下一次裝夾的定位。

3.2 設備、材料和工具等選擇 根據加工所需和現有的條件，加工設備選用寶雞VMC850三軸加工中心，配置系統為廣州數控GSK983系統。由模型大小而設定的邊框可選擇材料為200mmX150mmX60mm鋁塊(精料)，飛刀D16R0.8；白鋼銑刀D20、D12、D10、D8、D6、D4；鎢鋼球刀R4、R3、R2、R1.5，電腦(裝有UGNX7.5軟件)、U盤、平口鉗，百分表，分中棒，對刀儀、卡尺，電動打磨機、砂紙，銼刀、石膏粉等等。

3.3 裝夾方案 第一次裝夾直接采用平口鉗將鋁塊長邊朝向機床X軸方向夾緊，夾緊高度為20mm。第二次裝夾時，需要在加工好第一面時填充好石膏，并且加工好外形用于裝夾。第二次裝夾則直接反面掉頭，夾緊已經加工好外形面即可。第三次裝夾時，頭部朝上，夾緊已經加工好的正反面，采用石膏填充好，以免加工時變形損壞，加工完成后再清除。如圖2為裝夾工藝方案。

圖2 裝夾工藝方方案

4 程序編制過程

4.1 工序步驟 第一面加工的步驟和切削參數基本上與第二面相似，主要不同的是第二面開粗時不能使用大刀開粗，避免切削力過大而過切。第三面加工量不多，步驟比第一、二面的少，但也包含開粗、半精加工、精加工等多個步驟。

4.2 程序編制 使用UG8.5軟件進行刀路軌跡編輯，第一步建立好坐標系，三次加工的編程坐標零點都設計對應的工件中心上表面，加工時工件坐標系也設為與編程重合；然后設置好刀具、刀夾等幾何參數和刀具干涉檢查，最后再對每個步驟進行軌跡編輯。開粗采用型腔銑，清角和清理殘留余量采用剩余銑，半精加工使用深度輪廓銑和固定軸輪廓銑，精加工使用固定輪廓銑。

5 加工過程

5.1 仿真操作 由于模型過于復雜，上機床加工前必須通過仿真，避免程序出錯導致加工出現問題。仿真使用UG8.5軟件自帶仿真模塊，主要是查看加工順序有無欠切、碰撞、過切等問題，也可以對刀具裝夾長度進行粗略驗證。經過仿真后沒有發現刀路問題，模擬加工出來的效果比較理想，可進行按順序后處理出NC代碼進行加工。

5.2 數控銑操作與加工 X、Y軸使用分鐘棒四面分中，Z軸除第一把基準刀直接試切外，其他均使用使用對刀儀對刀。然后按照工藝步驟對應程序依次調出程序加工即可，完成第一面后進行石膏填充，等待石膏完全凝固并且冷卻后才拆下工件。之后進行第二面加工，加工完畢后再次填充石膏。最后加工頭部的第三面，三次裝夾加工后去除石膏即可。

5.3 產品質量分析 加工好的蜘蛛模型如圖3所示，總體上已經加工到位，光潔度也滿足要求，只有少許部位曲面夾角過小的地方無法進刀導致有些清根不到位。即使更換更小的刀具或者使用五軸設備加工也無法完全清理到位的。兩次裝夾接刀的部位有輕微的接刀痕，但是完全不影響美觀。總的來說，蜘蛛模型是能夠通過改善工藝使用三軸加工出來的。

圖3 加工效果

6 結語

以上詳細論述了蜘蛛模型整個工藝設計和制作過程中，加工出來的實物雖然仍有極少余量未能清理，多次裝夾也會導致誤差的累積使得精度會低于五軸軸加工中心一次裝夾加工出來的產品，但是已經和五軸加工出的產品效果很接近，已經達到預期的效果。試驗證明，蜘蛛模型不僅僅可以通過五軸加工中心完成，也可以通過改變加工方法和合理安排工藝路線等在三軸數控銑床上完成。