子彈頭工藝品的五軸數控加工工藝

田苗苗，李曉紅，呂 輝

（1.河源技師學院，廣東 河源517000；2.河源職業技術學院，廣東 河源517000）

隨著人們生活水平的提高，對工藝品需求逐年增加，且對其工藝的要求越來越高（因為工藝品一般尺寸小，造型復雜多樣）。傳統的金屬工藝品加工多采用鑄造方式生產，效率低而且成本高[1]，隨著數控機床的普及，工藝品也多用數控機床來加工，如黃宏俊分析了數控多軸技術運用于工藝品加工的方式[1]，錢楊林探討了火炬娃模型工藝品的數控編程加工[2]。但在數控加工中，要避免其數控機床誤差、多次換刀、加工中斷等原因產生接刀紋，影響其工藝品的美觀。五軸數控加工技術能實現工件在一次裝夾后，對多個面進行銑、鉆等多工序加工，可以加工三軸數控機床所不能加工或很難一次裝夾完成加工的連續、平滑的自由曲面，適合生產批量小、結構復雜的產品。因此，能夠減少加工時間與費用，同時車間占地面積、裝夾數量、設備故障也會相應減少，給企業帶來了良好的經濟效益；因此，五軸數控加工技術被廣泛應用到模具、3C 產品、工藝品等生產制造中[1，3-4]。子彈頭工藝品（見圖1）是人們喜愛的一種特殊的工藝品，但其尺寸小，造型特殊，包含幾何要素較多，且涉及曲面和表面紋路較多，加工時刀路復雜。以前常采用三軸數控加工機床加工，但由于采用三軸機床進行加工需要慮其裝夾部位且需要多次裝夾分中找正來加工，對其紋路等表面多次裝夾后加工出來的表面質量有容易產生接刀痕，而且在效率上也很費時費力。為此，本文基于NX10.0，設計了子彈頭工藝品在5 軸數控機床的加工工藝及加工方法，希望能為企業生產提供相應借鑒。

1 加工工藝解析

子彈頭工藝品結構如圖1 所示，主要包括頭部、孔、子彈座和紋路等結構，材料為鋁合金（方料），其表面粗糙度要求達到Ra3.2，且不能有接刀痕。

圖1 子彈頭工藝品整體結構

通過子彈頭工藝品的整體結構可知，其6 個面都要加工，尤其是表面紋路要采用聯動加工才能加工到位，如采用三軸機床進行加工，需要慮其裝夾部位，且需要多次裝夾分中找正來加工，多次裝夾后加工出來的表面質量可能有接刀痕，且費時費力；而采用五軸機床，只要一次裝夾就可以將整個工件的所有特征加工出來。另外，在加工該零件時會使用球頭銑刀，球頭銑刀是以點接觸成形，切削效率低，采用三軸機床加工時，刀具/工件位置角在加工過程中不能調，很難保證用球頭銑刀上的最佳切削點（即球頭上線速度最高點）進行切削，有可能出現切削點落在球頭刀上線速度等于零的旋轉中心線上的情況；而采用五軸聯動數控機床，由于刀具/工件位姿角隨時可調，可以避免這種情況的發生，而且還可以充分利用刀具的最佳切削點來進行切削，或用線接觸成形的螺旋立銑刀來代替點接觸成形的球頭銑刀，從而獲得更高的切削速度、切削線寬，即獲得更高的切削效率和更好的加工表面質量。

通過以上分析，選用五軸數控機床進行加工，只要經過一次裝夾即可把所有的結構都加工到位，既提高了生產效率，又可以保證產品的加工精度。

根據子彈頭工藝品的結構特點，按照粗加工-半精加工-精加工的思路，確定子彈頭工藝品在5 軸數控機床上的加工工序為：正反面開粗-螺旋半精弧面-精加工弧面-刻紋路-鉆孔，具體加工示意圖如圖2 所示。

圖2 子彈頭工藝品加工示意圖

2 數控加工工藝

2.1 機床的選擇

選用衛國教育科技（河源）有限公司生產的工業型WG-125 五軸數控銑床進行加工（操作系統為Lynuc N3 數控系統，A/B 軸旋轉角度（度）≥+110/-10，C 軸旋轉角度（度）：360）[5-6]，主軸最高轉速為12 000 r/min，WG-125 機床剛性良好，能夠滿足子彈頭工藝品對加工精度的需要。

2.2 裝夾方式

根據子彈頭工藝品的整體尺寸，確定其毛坯尺寸為18 × 25 × 85 的方料，可直接采用四爪卡盤進行裝夾。

2.3 加工工藝路線及工藝參數

子彈頭工藝品的加工程序采用了NX10.0 進行編制（NX 軟件在加工程序編制方面功能更加強大，可以進行三軸、四軸、五軸數控加工程序的編制），使用基本加工策略和多軸加工策略[5-6]。

（1）工序1：開粗，采用“型腔銑”的加工策略，用D10 平底刀去除多余毛坯料，留0.2 mm 余量，加工完正面后，將主軸旋轉180°，對反面進行開粗，為下一步工序做準備，生成的粗加工刀路如圖3 所示。

圖3 子彈頭工藝品工序1 刀路圖

（2）工序2：半精加工，選用R2 球刀利用“可變輪廓銑”的加工策略（步距數“300”），將上一步加工余量加工均勻，留0.1mm 余量，為下一步工序做準備，生成的半精加工刀路如圖4 所示。

圖4 子彈頭工藝品工序2 刀路圖

（3）工序3：精加工，選用R2 球刀，依然利用“可變輪廓銑”的加工策略（步距數“1000”），將上一步加工余量清除，生成的精加工刀路如圖5 所示。

圖5 子彈頭工藝品工序3 加工刀路圖

（4）工序4：紋路加工，此工序采用“可變輪廓銑”加工策略，根據紋路的大小，選用R0.5 的球刀刻畫表面紋路，生成的加工刀路如圖6 所示。

圖6 刻畫子彈頭工藝品紋路刀路圖

（5）工序5：孔打點，由于需要鉆孔的面為曲面，所以鉆孔前需要先加工一個中心孔，此工序采用“鉆孔”的加工策略，根據孔的尺寸，選用ZXZ3.3 中心鉆加工中心孔[5]，生成的加工刀路如圖7 所示。

圖7 子彈頭工藝品中心孔刀路圖

（6）工序6：子彈頭工藝品鉆孔，由于要加工孔，所以此工序采用“鉆孔”加工策略，根據孔的尺寸，采用ZD3 鉆頭進行鉆孔，此處編程方法與上一步相同。

經過仿真和對子彈頭工藝品的加工工藝路線和工藝參數進行了分析，最終確定了各工序的刀具、加工策略及切削參數，具體如表1 所示。

表1 各工序刀具、加工策略及切削參數表

得到的紋路的關鍵數控代碼如圖8、圖9 所示。可見，五軸的實際走刀代碼要明顯少于三軸，即刀路更少，更高效。

圖8 三軸紋路加工數控代碼

圖9 五軸紋路加工數控代碼

3 實際生產結果

所編制的程序經模擬仿真和后處理后，在WG-125 五軸數控銑床進行了實際生產，現場裝夾效果如圖10 所示。

圖10 子彈頭工藝品毛坯現場夾持方法

生產完成的子彈頭工藝品樣品如圖11 所示，對子彈頭工藝品樣品的頭部、孔、子彈座和紋路等表面進行了表面粗糙度檢測，實測頭部、子彈座和紋路的表面粗糙度都達到了Ra1.6，孔的表面粗糙度達到了Ra3.2；另外，表面無接刀痕，檢測結果為各項技術指標均到達了用戶的需求。

圖11 子彈頭工藝品樣品圖

4 結束語

本文通過對子彈頭工藝品的結構特點進行分析，基于5 軸數控機床，利用NX10.0 軟件對加工程序進行設計和編制，并經過實際生產，證明各工序的刀具選擇、加工策略應用及切削參數設置均比較合理，生產的樣品得到用戶認可，相比其原有的三軸加工工藝，減少了裝夾和走刀次數，更高效，得到的紋路精度更高。