3+2定軸加工測試零件的加工工藝分析及機床精度檢測

屈斌文 周世乾

摘要： 基于檢測試件的五軸機床幾何精度檢測研究-3+2定軸加工測試零件在“德瑪吉DMU60”立式五軸加工中心上的加工測量。本文對相應的圓錐臺試件做出詳細的加工工藝設定，同時運用Powermill軟件進行數控編程得到圓錐臺試件的刀路軌跡，通過后置計算生成加工程序進行實際切削實驗，得到圓錐臺試件的實件。最后使用三坐標等相關檢測設備完成各項要求尺寸及表面粗糙度的檢測。

Abstract： Research on the geometric accuracy detection of five-axis machine tools based on test specimens-3+2 fixed-axis machining test parts processing measurement on the "DMU60" vertical five-axis machining center. This article makes detailed processing technology settings for the corresponding truncated cone test piece， and at the same time， uses the Powermill software to carry out numerical control programming to obtain the tool path of the truncated cone test piece. The processing program is generated by post-calculation to carry out the actual cutting experiment， and the truncated cone test is obtained. The real piece of the piece. Finally， use three-coordinates and other related testing equipment to complete the testing of various required dimensions and surface roughness.

關鍵詞： 3+2定軸加工;圓錐臺試件;工藝安排;檢測分析

Key words： 3+2 fixed-axis machining;cone-shaped test piece;process arrangement;inspection and analysis

中圖分類號：TK416+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0101-02

1? 概述

眾所周知，加工精度是數控機床重要的技術指標，精度的高低直接決定了所加工產品的質量好壞，一般檢測機床精度的方法有儀器檢測法和檢測試件試切法。而對于試切法在五軸加工中涉及到的測試零件的設計與加工就顯得尤為重要。由于目前檢測試件并沒有一個統一的標準，同時針對本課題所要研究的3+2定軸加工的加工模式，以及對于機床精度檢測主要針對的檢測內容，我們不難將檢測試件所具有的特征概括如下：①容易制造并能夠快速加工;②能夠便于測量;③加工工藝安排簡便;④刀具裝夾等其它誤差影響因素;在充分結合各個國家的檢測試件，圓錐臺試件目前在世界上各國機床制造業檢驗五軸機床加工精度中被普遍使用，同時也被寫入了我國的機械行業標準JB/T 10792.1-2007。圓錐臺試件結構如圖1，該試件建模簡單且檢測項目多，故選擇此試件進行加工檢測。

2? 圓錐臺試件的數模介紹

試件主要由兩部分組成，分別為上部的圓錐臺與下部的基座。上部為直徑110mm的圓錐臺，厚度45mm，圓錐半頂角15°，錐臺底面傾斜15°，在圓錐臺半頂角面由Φ30mm的孔與2-Φ10定位孔構成。研究圓錐臺試件的幾何特性，圓錐臺試件的錐面與水平面的夾角是75°，這個角度屬于閉角（加工面法矢量與底座面法矢量的夾角小于直角即為閉角，反之則為開角）范疇[1]。這一閉角的加工無法檢驗機床在開角區的加工精度[2]。但是對于本文我們所研究的課題“3+2定軸加工檢測試件的檢測研究”來說并沒有任何影響，錐臺的加工可很好地檢測B、C軸的精度，同時通過加工中心Φ30mm×28mm孔和2-Φ10mm孔還可檢驗機床插補精度及重復定位精度。此外，圓錐臺試件相比其他試件來說建模更加簡單，加工更加方便。對比分析上述內容，可確定圓錐臺試件的實際切削對于3+2定軸加工要求的五軸機床的檢測可提供有力的科學依據及理論參考。

3? 檢測試件工藝安排

圓錐臺試件的外形是圓柱形鋁合金構件，毛坯尺寸為Φ135mm×170mm。其中實際銑削高度為45mm。下端為便與裝夾的基座，通過工藝壓板壓緊的方式將毛坯固定在加工平臺上，同時采用壓板的方式可更好的減小由于夾具裝夾產生的應力變形及夾具尺寸過大所造成的加工干涉問題。

3.1 加工工藝規劃? 根據圓錐臺檢測試件的結構特性，我們分為幾個獨立的步驟來加工：①粗、精加工試件基座;②平端面保總長;③圓錐臺加工;④圓錐臺端面中心孔加工;⑤2-Φ10H7孔加工。所有工序分三次裝夾來完成，其中工序①和工序②為檢測試件基座的加工，而步驟③至步驟⑤為檢測試件的實際加工，是在一次裝夾來完成的，盡可能的減小由于多次裝夾而產生的工件定位誤差。

3.2 定位與夾緊? 與所有加工一樣，在正式進行切削前，我們需要將所需毛坯裝夾在工作臺或者夾具上，并對其固定夾緊。對于該試件在數控加工中的夾緊裝置的選擇，首先我們要保證機床零點位置與夾具的工件坐標零點二者相對固定，其次是要把握好所要加工的零件與夾具的相對位置關系[3]。而對于我們所加工的檢測試件，整體結構為圓柱形，相對應我們所選擇的毛坯也為精車后的圓柱型毛坯，選擇圓柱毛坯底面為基準面，將其放置在機床工作臺合適位置，由于我們在加工基座之初的工藝安排，我們采用工藝壓板將其基座固定在工作臺上。

4? 圓錐臺試件數控加工

此次加工編程，我們所選擇用CAXA數控車編程軟件對毛坯進行車削加工，選擇Powermill軟件對圓錐臺試件進行加工。

4.1 銑削毛坯加工? 對于工序①第1工步采用外圓車削加工（粗加工），首先將基座輪廓在CAXA數控車中畫出。設置好刀具數據，將該刀具設為當前刀具，點粗加工設置切削三要素、進退刀方式等，接下來選擇加工輪廓線生成刀路并選擇刀路生成加工程序。對于工序②平端面，將工序①加工工件掉頭裝夾，按照工序①參數設置流程對切削參數進行設置，通過軟件搭載的通用后置文件產生NC程序，并將程序導入機床進行實際切削加工，保證總長146mm。

4.2 試件銑削加工? 對于工序③第一工步，我們采用Powermill軟件“模型區域清除”策略進行余料的去除。首先創建刀具路徑，選擇模型區域清除，按步驟選擇已創建好的毛坯、坐標系等參數，設置切削層、切削參數和進給速度，點擊計算，在此工步加工參數設定中，尤其加工坐標系的確定，我們有兩種方式，其一為選擇毛坯坐標原點，其二為工件坐標原點。其中若選擇毛坯原點為加工原點，那么在刀具設定時需要加長刀桿，由于刀具伸長剛性降低，在加工零件時不能采用大切削，增加加工時間，同時加工表面粗糙，而盡可能短的刀長對更好的滿足切削要求。

工序③第二、三工步，是圓錐臺試件半精/精加工。半精加工在刀具路徑對話框中我們可以采用“等高精加工”或者“SWARF精加工”策略，若選擇“SWARF精加工”策略進行半精加工時要注意在圓錐臺錐面留有余量或者在銑削時設置分層銑削，避免由于切削量過大引起刀具產生形變而造成圓錐臺尺寸不穩定。確定加工策略后進入設置界面，完成選擇刀具、毛坯等常規設置，此處注意在選擇坐標系時要選擇垂直于圓錐臺界面的坐標系。完成側壁及底面余量的設置，完成創建路徑，生成刀路。采用加工策略選擇器中的五軸加工策略“SWARF精加工”對圓錐臺錐面及圓錐臺底面、中心Φ30mm孔進行精加工，在圓錐臺底面、中心孔的精加工策略選擇時，也可選擇等高精加工策略，尤其注意選擇不同的策略要選擇相應的坐標系。采用“SWARF精加工”策略對其進行精加工生成刀路。

工序③第四、五、六工步，是加工圓錐臺截面2-Φ10H7孔，在策略選擇器中分別選擇鉆孔、深鉆、鉸孔策略，創建3把刀具，分別為T2型號為中心鉆，直徑8mm，主要用于打中心孔;T3型號為直徑9.8mm麻花鉆，主要用于打底孔;T4型號為Φ10H7機用鉸刀，主要用于鉸孔已達到孔的精度要求。然后生成刀路。

4.3 實際加工? 根據檢測試件加工工藝卡，將精毛坯用壓板安裝在機床工作臺上面，將已經后置處理的數控程序導入機床，我們選擇如下加工策略實現加工。選擇“SWARF精加工”策略對其進行精加工，具體參數設置如圖2所示。

5? 相關參數檢測分析

5.1 輪廓誤差測量? 我們采用三坐標測量機來檢測所加工零件的輪廓誤差[4]。我們在圓錐臺試件圓錐面上均勻的取四條側母線，且在四條側母線上分別取3個點，同時在平行于圓錐臺由上往下15mm的位置取圓錐臺截面，利用三坐標測量儀分別測量圓錐臺截面，圓度、直徑，側母線傾斜度，圓錐臺輪廓度、圓錐臺截面圓與中心孔同軸度，錐面孔的孔距，具體實測值與理論值對比如表1。

5.2 表面粗糙度檢測? 我們使用粗糙度檢測儀對已經加工完成的圓錐臺試件進行表面粗糙度檢測，先后測量兩次測量值并取平均值記錄在表2中。

6? 總結

本文以圓錐臺試件為研究對象，首先系統的分析了圓錐臺試件的幾何特性，為后續的加工提供理論基礎。然后根據圓錐臺試件的結構和特性，制定了加工工藝路線。基于Powermill加工環境，編程并實行后處理，得到圓錐臺試件的加工數控程序通過實際的切削實驗動態仿真加工的有效性。最后，通過三坐標測量得到實際尺寸，并與理論值作對比分析得出結論。證明針對此圓錐臺試件的工藝安排的合理性，并有效的證明了此五軸立式加工中心加工精度滿足加工需求。

參考文獻：

[1]張信.基于虛擬制造技術的“S”件加工仿真及參數分析研究[D].電子科技大學，2014.

[2]周平，吳有恩.數控編程技術[M].北京郵電大學出版社，2008-06-01.

[3]徐強.數控加工相對傳統加工優勢分析[J].東北輕合金有限責任公司，2017-5.

[4]G Farkas， Drégelyi-Kiss. Measurement uncertainty of surface roughness measurement[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2018，448（1）.