基于NXCAM銑刀盤5軸加工技術的應用研究

古遠明

（河源職業技術學院機電工程學院，廣東河源 517000）

1 引言

隨著人們對生活品質要求的不斷提高，特別是對居家家具造型設計及整體美觀方面。數控技術的發展改變了傳統家具生產制造工藝，家具產品大部分的工序都由數控機床加工完成。因家具產品是小批量或單件定制加工，家具行業所需的刀具沒有統一的標準，大部分刀具需要定制。本文以家具行業銑刀盤制造為例，闡述其加工流程及解決實際難點，為其它類型的銑刀盤制造提供經驗。

2 銑刀盤加工工藝分析

加工材料為精料2A12T4鋁合金圓棒，外形尺寸為φ81.5×115mm，2A12T4是典型硬鋁合金、強度高、有一定的耐熱性、硬度是120HB、抗拉強度σb≥390MPa、伸長率δs≥12%、條件屈服強度σ0.2≥255MPa，根據毛坯材料選擇鋁料專用硬質合金刀具。如圖1銑刀盤零件圖所示，銑刀盤前端軸φ170-0.018mm與軸承配合、對配合精度要求高、邊加工邊配合，對螺旋凸槽上φ6.8mm的螺紋底孔孔中心定位精度要求比較高，對配合面表面粗糙度值為Ra1.6μm、其余表面粗糙度值為Ra3.2μm。故選用新代5軸數控機床加工方式加工銑刀盤零件，可以滿足其技術要求和質量要求。

圖1 銑刀盤零件圖

3 銑刀盤加工存在的問題

（1）銑刀盤采用分度頭夾具裝夾在3軸數控機床上加工，需要多次裝夾，銑刀盤前端φ170-0.018mm與軸承裝配精度達不到要求、銑刀盤刀片定位孔φ6.8mm也得不到保證，導致銑刀盤使用時會出現刀擺值過大及無法安裝刀片的現象。采用3軸數控機床加工，加工時間長，效率低，尺寸精度達不到要求。

（2）銑刀盤采用4軸數控機床加工，如一次裝夾，可以保證銑刀盤的表面質量及定位精度，但是銑刀盤前端采用定軸或聯動粗加工時，加工時間較長，效率低。如采用多次裝夾，會出現類型3軸數控機床加工的問題。

綜合分析，采用5軸加工技術及優化參數設置，可以大大縮短加工時間，提高銑刀盤的表面質量和尺寸精度。

4 銑刀盤的5軸數控加工

4.1 三維建模

根據銑刀盤零件圖（見圖1），使用UGNX建模中的設計特征、螺旋線、掃掠、片體加厚等命令。其中螺旋線條數2條，螺旋線導程50mm、起點角度分別為0°和180°，螺旋旋向順時針旋轉，螺旋寬度和深度為12mm和6mm,構建銑刀盤三維圖，如圖2所示。

圖2 銑刀盤三維圖

4.2 工藝規程

根據銑刀盤材料及質量要求，選擇現有的新代DU3505軸聯動數控機床，其主軸到工作臺面距離為40～360mm、擺動B軸行程為-110～110mm、旋轉C軸為360°連續、主軸轉速最高24,000轉/min、切削進給速度為10,000mm/min，符合加工銑刀盤的要求，毛坯選擇精料2A12T4鋁合金圓棒，外形尺寸為φ81.5×150mm。銑刀盤的加工工藝方案為：

（1）工位一采用三爪卡盤夾持毛坯，加工坐標設置在頂面中心，使用3軸程序加工銑刀盤的前端及控制配合尺寸；使用4軸定向（平面銑、型腔銑、固定輪廓銑）程序加工銑刀盤螺旋槽后端部分特征，保證刀片定位孔的定位精度；使用4軸聯動（可變輪廓銑）程序精加工，保證銑刀盤的表面質量和尺寸精度。

（2）工位二采用數控車床切斷裝夾尾料。

（3）銑刀盤5軸加工工藝卡如表1所示。

表1 銑刀盤5軸加工工藝卡

4.3 程序編制

選擇NX12CAM進行5軸數控程序的編制，程序編制前設置加工坐標為毛坯頂面中心、創建φ81.5×150mm的圓柱體作為毛坯體、部件選擇銑刀盤零件、加工安全高度設置20mm，創建加工所需的刀具或者導入已創建的刀具庫，按照銑刀盤加工工藝卡順序進行程序的編制。

（1）銑刀盤前端數控粗加工。

銑刀盤前端主要是階梯軸類型的特征加工，可以采用編程工序miil planar中的面銑或者底壁銑命令，也可以采用工序miil contour中的型腔銑命令，同樣可以采用miil contour中的自適應銑削命令，在同樣的參數設置下，3種命令的加工時間如表2所示。通過程序效果分析，故采用工序miil contour中自適應銑削命令進行粗加工，大大縮短了加工時間，缺點是刀具磨損較快。

表2 銑刀盤前端粗加工工序用時

當前使用刀具是D10的平底刀，在NXCAM編程時刀具直徑設置為9.99mm，刀具每次偏置0.01mm生成一次刀路軌跡，直到與軸承配合。

（2）銑刀盤后端螺旋槽粗加工。

在面上偏置曲線到螺旋面的中間位置，選擇工序可變輪廓銑命令，驅動方法選擇流線、投影矢量選擇刀軸、刀軸選擇遠離直線（銑刀盤軸線），其他參數按照工藝卡設置，生成刀路軌跡，如圖3所示。采用同樣的方法編制螺旋槽側面精加工，刀路軌跡如圖4所示。

圖3 螺旋槽粗加工刀路軌跡

圖4 螺旋槽側壁精加工刀路軌跡

（3）銑刀盤刀片定位孔加工。

銑刀盤刀片固定螺釘是M8×1.5mm的規格，底孔直徑為φ6.8mm。在平面上先鉆定心鉆，起到定位和導向作用，保證φ6.8mm底孔的定位精度，使刀片的安裝固定符合要求。如圖5所示為定心鉆及鉆孔刀路軌跡。

圖5 定心鉆及鉆孔刀路軌跡

（4）銑刀盤其他特征精加工。

銑刀盤其余特征的程序編制可以采用編程工序miil planar中的面銑或者底壁銑命令，編制刀位文件。如圖6所示為其它特征部分刀路軌跡。

圖6 銑刀盤部分特征刀路軌跡

4.4 仿真加工

由于5軸刀路軌跡比較復雜，采用VERICUT8.0數控仿真軟件對后處理的程序進行仿真加工驗證。一般設置過切和碰撞等現象的提示顏色為紅色、部件還有殘留余量的提示顏色為藍色。仿真前構建了機床運動的方式，選擇對應的數控控制系統，設置了毛坯體、三爪卡盤夾具、刀具庫及加載了數控程序等仿真加工要素。經對銑刀盤程序仿真加工，沒有出現紅色及藍色提示及其他干涉現象，銑刀盤程序可以進行實際機床加工，程序仿真流程如圖7所示。

圖7 程序仿真流程

5 銑刀盤實際加工及效果

使用三爪卡盤裝夾毛坯，校正工件及確定加工坐標，安裝所需的刀具，按順序在線傳輸（DNC模式）銑刀盤程序到機床上，進給率、快速移動及轉速倍率調低，按啟動按鈕進行程序加工，程序正常運行下，把倍率調到正常設定值。加工過程中適時測量及觀察，保證銑刀盤表面質量及配合精度。所有程序運行結束后，在數控車床上切斷得到了實際的銑刀盤產品，經裝配驗證，符合產品要求，如圖8所示。

圖8 銑刀盤實際加工效果

6 結束語

通過對銑刀盤零件的程序編制，采用效率高的自適應銑削工序命名進行粗加工，螺旋槽通過偏置曲線、采用流線驅動的方式生成較為優化的刀路軌跡，提高了生產效率。通過偏置刀具大小的方式，控制銑刀盤前端與軸承的配合，保證了銑刀盤的配合精度，從而保證了銑刀盤的使用性能。通過選擇5軸加工方式，避免多次裝夾，保證了刀片定位孔的精度及銑刀盤的產品質量。通過VERICUT仿真模擬加工，驗證了程序的可靠性和安全性，減少了實際加工出現干涉碰撞的現象。