CAXA制造工程師典型五軸零件加工工藝研究

武志鵬

（武漢技師學院機電工程系，武漢 430051）

0 引言

CAXA制造工程師作為一款優秀國產CAD/CAM軟件在三軸編程方面已獨具特色，五軸編程功能也逐漸完善。尤其是集成了ModuleWorks組件后，CAXA制造工程師與其它集成了該模塊的五軸編程軟件在編制刀具路徑方面已無多少區別，反而不同于某些軟件參數設置不正確就無法計算刀路的特點，在CAXA制造工程師環境中設置好寥寥數個參數后，便能生成軌跡，為進一步優化軌跡提供了一定參考。本文以某數控競賽樣題為例，分析零件結構、制定加工工藝，并采用CAXA制造工程師軟件編制了該零件的五軸加工程序[1]。

1 零件分析

1.1 圖紙分析

該零件為2018年中國技能大賽樣題，零件材料牌號H65，外觀為回轉體零件，中段具有螺旋形面特征，可以將零件劃分為三段：Φ16×35、Φ16×12和螺旋型面段，最小內圓角R6，一端帶有90°錐孔，圖1所示為零件圖和毛坯圖。

1.2 建模

直接在CAXA制造工程師環境下采用實體造型方式建模，確保零件螺旋形面的升角方向與圖紙要求一致，因零件特征結構簡單，故不贅述造型的過程與方法。為了方便后續編程，造型完成后需要對數模進行與處理。將實體生成曲面，并在基準平面“XY平面”上生成Φ16圓柱輪廓曲線。生成的曲面則需要用“曲面正反面”命令作法線方向修改（法線朝外）。另外，在軟件中被選中的元素為紅色，刀軌為綠色，為了便于觀察和操作，這里設置曲線顏色為黑色、法線方向的曲面顏色為橙色。預處理后的數模如圖2(a)所示。

隨著3D打印技術的普及，對于這類具有復雜空間結構的小型零件，完成造型后用3D打印技術按實際尺寸制造出來，有助于提升編程人員，尤其是初學者對于零件的感性認識，還可以比照3D打印件選擇刀具、夾頭和裝夾方式。圖2(b)所示為3D打印件。

圖2 零件數模與3D打印件

2 制定加工工藝

結合毛坯圖和3D打印件易知，毛坯兩端與中段直徑相差較大，切削加工中剛性較差，容易產生震動，甚至造成陀螺軸變形，故應采用“少切快跑”的切削策略。因其單件生產，不宜專門定制夾具，故采用三爪卡盤等通用夾具裝夾，同時應盡量增大夾持長度，同時要確保刀具底面不會與夾具干涉。

Φ16×12部位的徑向和軸向都留有余量，采用三軸加工，先去除軸向余量再去除徑向余量的加工策略，為了保證切削穩定性，加工時，包括倒角工序都應多分層；螺旋型面段余量較多，首先采用五軸定向開粗，然后采用五軸聯動加工至要求。Φ16×35部位已經精加工完成，可以作為基準面。在五軸聯動機床上，采用三爪卡盤一次裝夾完成所有工序，裝夾時還要注意對該部位的保護，圖3所示為裝夾示意圖。

圖3 裝夾示意圖

雖然刀具由競賽組委會提供，但是依然需要根據不同的加工部位選擇適合刀具以保證加工質量和效率。原則上粗加工時盡可能采用大直徑的刀具，但是直徑過大又容易造成切削力過大導致零件震動變形，因此選擇較為鋒利的整體硬質合金刀具作為粗加工。另外，為了避免反復拆裝，還應考慮刀具裝夾長度對后續工序的影響，在滿足最長長度的情況下刀具伸出部分應盡可能的短，這將有利于提高刀具的剛性。為獲得較高的表面質量，在加工螺旋型面時采用球刀并使刀軸與曲面成一定側傾角和前傾角進行加工，以盡量避免球刀刀尖參與切削。綜上所述，加工刀具如表1所示，加工工序及參數如表2所示[2,3]。

表1 加工刀具表

表2 加工工序參數表

3 編制刀具路徑

當前技術環境下，復雜零件的編程策略多采用“化整為零，逐個攻破”的方式。為了避免二次裝夾造成的誤差，在成本允許的情況下應盡量采用一次裝夾完成多道甚至全部工序，這就致使零件在五軸機床上的加工可以劃分為三種工藝內容：三軸加工、定向加工和聯動加工。

3.1 三軸加工

本零件上Φ16×12部位上被加工要素有圓柱面、平面、錐孔和倒角，在CAXA制造工程師環境種，這部分的編程和后處理與傳統的三軸編程沒有任何區別。除了要考慮切削參數對不良震動和精度的影響外，為了便于后續操作，建議把坐標系建立在工件中心上表面。

3.2 定向加工

定向加工編程的本質還是三軸編程。與傳統三軸編程的區別在于“建立坐標系”和“后處理”，前者實現了刀軸矢量的變換，后者將刀路軌跡轉換為機床可以正確執行的代碼[4]。需要注意的是：

1）參考毛坯

CAXA制造工程師軟件的“等高粗加工”策略具有參考毛坯生成刀路的功能，因此設置合適的毛坯尺寸有助于優化加工軌跡、提高編程效率。此時Φ16×12處僅留有0.2mm的精加工余量，按實際尺寸設置毛坯。

2）新建子坐標系

借助新建的子坐標系，同一個加工軌跡可以作用在不同的空間平面上。設置輔助坐標系的原則是：Z軸朝上、操作簡單和便于觀察。Z軸方向決定了刀路的下刀和抬刀方向，對刀軌的合理性起到決定性的作用。由于可能需要新建多個輔助坐標系，故應盡量避免坐標系重合，借助“水平/鉛錘線”功能可以快速的建立與系統坐標系空間正交的子坐標系。另外，尤其是在雙轉臺結構的五軸機床上加工時，旋轉軸將零件定向后，機床的運行與傳統三軸加工相同，此時機床上的工件坐標系與新建的子坐標系一致，若新建的子坐標系X、Y軸應與系統坐標系的X、Y軸一致將有助于加工工程中的觀察和監測。圖4所示為新建坐標系。

圖4 新建坐標系

3）測量最高最低點

借助旋轉軸，螺旋型面的粗加工分三次完成，以避免刀具懸長過大。在激活新建的子坐標系環境下，測量出加工范圍的最高點Z軸坐標和最低點Z軸坐標，然后輸入至編程對話框相應位置，如圖5所示。

圖5 設定高度范圍

4）設定加工邊界

毛坯下端與卡盤之間的距離小于刀具直徑，所以需要選擇加工邊界，并設定刀具與邊界重合。需要注意的是，過大的邊界同樣會導致刀具與卡盤干涉，然而，過小的邊界又會導致殘料不均，借助仿真軟件，經過數次實驗得到了較為折中的邊界尺寸與裝夾長度，如圖6(a)～圖6(c)所示。

圖6 邊界的設定

5）在sys系統坐標系下旋轉

激活sys系統坐標系，通過“F8”按鍵將繪圖平面切換至XY平面，使用“平面旋轉”命令，設置參數“旋轉角度：120°”、“拷貝數量：2”，一次生成剩余兩個方向的軌跡，結果如圖7所示。

圖7 平面旋轉復制生成軌跡

3.3 聯動加工

為了提高效率采用立銑刀在螺旋型面上開粗，這就產生了曲面上余量不均勻的問題，所以至少需要做一次半精加工后才能做精加工。CAXA制造工程師軟件基于ModuleWorks組件的五軸編程策略共有8種，其編程參數設置界面大同小異，刀路生成原理與投影法類似，光源沿著刀軸將刀尖投影到驅動面上，并且可以將一個或多個曲線或者曲面作為投影點的限制規則[5～7]。

結合零件的結構特點，選擇“五軸限制面加工”策略，螺旋型面段的上、下端面作為第一、第二限制面，中間部分作為驅動面。采用”螺旋“走刀方式可以有效地避免接刀痕，刀軸控制策略設置為“相對于軸有固定傾斜角”方式、“傾斜方向：Z軸方向”、“固定傾斜角45°”。作為刀軸與Z軸的夾角，設置時需要著重考慮，較小的傾斜角能避免球刀刀尖中心點參與切削，但是需要增加刀具懸長；較大的傾斜角會導致刀尖參切削，并且會增加夾頭與卡盤碰撞的風險，圖8所示為仿真過程。

圖8 傾斜角對刀具夾頭干涉的影響

將加工曲面設置為干涉檢查幾何，在刀刃或刀桿與零件曲面干涉時采用“擺動刀軸”、“自動處理”的干涉處理策略。半精加工與精加工刀路策略相同，只是加工參數不同。需要注意的是，不論是三軸精加工還是五軸精加工，熟練掌握編程對話框中的每一個參數并能合理地搭配設置有助于減少甚至避免刀路中接刀、連刀產生接刀痕，圖9所示為精加工刀路，刀具從接觸零件曲面開始一條軌跡直至離開零件曲面。

圖9 精加工刀路

4 仿真驗證

五軸聯動加工過程中，機床、夾具、工件和刀具的空間位姿不斷發生變化，安裝工裝夾具和編程的略微疏忽，將會導致干涉和碰撞現象，容易造成重大損失。當前編程軟件自帶的仿真環境已經很完善，但是無法檢驗可能由后處理導致的問題。因此，在實際加工前，采用第三方仿真軟件VERICUT軟件對后處理生成的程序代碼進行預讀仿真驗證可以將問題盡量遏制在源頭，也有助于現場管理和責任劃分。其實，在編程過程中借助VERICUT軟件進行驗證刀路也是一種提高編程效率的方法。VERICUT軟件仿真結果如圖10所示[8,9]。

圖10 VERICUT軟件仿真結果

5 結語

五軸加工的一個重點是生成刀具路徑，合理利用軟件提供的刀路策略可以有效地提高編程效率，避免干涉引起的碰撞。CAXA制造工程師基于ModuleWorks組件的五軸編程策略與多款主流編程軟件相同，操作簡單并且對計算機硬件要求低，使用和學習成本低。采用軟件自帶的五軸后處理生成了程序代碼，并通過了VERICUT仿真及實際加工檢驗，能夠為同類型產品的加工提供有益參考。