組合式六角亭五軸數控加工工藝設計

李體仁，張超，王啟，高磊，趙耕伯，李文飛

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

待加工六角亭模型如圖1所示，材料為6061鋁合金，由上層、下層與基座三部分組成，模型最大直徑Dmax=148 mm，總高度H=160 mm，模型的最小圓角半徑R=0.5 mm。六角亭其外形精美，結構復雜，整體數控加工實現困難。針對此問題，采用結構拆分的方式將上層、下層與基座獨立加工，待各層加工完成后將三者以孔、軸配合的方式組裝。

圖1 組合式六角亭模型

六角亭下層模型加工時涉及到深型腔加工和倒扣區域加工，上層模型涉及到窗格類的薄壁件加工，需要選用合理的加工策略、走刀路徑，保證模型的表面質量，避免過切、碰撞或欠加工。上、下層模型形狀特殊，在五軸機床加工，一面加工完成后，需要翻面加工另一面，缺乏基準，通過設計工藝圓柱和專用夾具，保證加工的精確性，避免模型加工時受力變形。

1 工藝分析

上下層模型由屋頂、下檐、窗戶、支柱和座椅5個部分組成，如圖2所示。模型內部鏤空，形狀復雜，針對其結構特點，分析加工過程存在以下3個難點：1）窗戶和下層模型支柱整體剛性比較差，無法直接加工，則通過添加輔助面提升其剛性，再對其進行刀路軌跡的設計；2）下層模型相鄰支柱間添加輔助面后，形成與支柱等高的深型腔，加工時需要解決深型腔的問題；3）座椅采用倒扣加工，使刀具從座椅正對一側的兩支柱之間伸入，需解決刀具與刀柄伸入過長、剛度不足和刀柄與兩側支柱碰撞的問題。

圖2 上下層模型分析

1.1 窗戶加工

1）建立輔助面。

窗戶加工軌跡分為單個窗格型腔內加工軌跡和窗格桁架走刀軌跡[1]。窗格厚度為1.5 mm，模型內部鏤空，窗格型腔大，靠桁架連接，整體剛性差；同時，桁架數量多，單個進行刀路規劃比較復雜，整體刀路規劃時，窗戶表面編程時刀路計算容易出現“掉刀”的情況。因此在窗戶上增加輔助面，既能補充窗戶的剛度，又可以防止對桁架整體做刀路規劃時，刀路計算出現“掉刀”的情況，如圖3（b）所示。

2）窗戶的刀位規劃。

對于單個窗格型腔內加工軌跡的規劃，考慮到窗格空格大、厚度小的特點，采用分層環切法對窗格結構進行加工[2]，選取網狀型腔桁架側面為導動面，生成環切的刀路軌跡，如圖3（a）所示。環切時利用刀具側刃加工，與工件接觸面積大，加工效率高，切削力小，既能保證零件的加工精度，又能使窗格型腔加工時不會變形。

窗格桁架為各個窗格之間的連接，單獨做刀路軌跡比較復雜，窗戶整體添加輔助面后，只需對窗戶面進行整體刀路規劃即可，如圖3（b）所示。但添加輔助面的窗戶可以看作厚度為1.5 mm的薄壁板，常規加工切削力較大，易變形，且加工時切屑不易排出，與刀具多次碰撞會發生彈性變形和塑性變形，同時產生大量切削熱并傳遞給刀具，使工件各個部位的受熱不同而發生熱變形。因此選擇采用高速銑削加工降低切削力和切削熱，控制其加工變形。

圖3 窗戶加工策略

3）高速銑削加工。

高速銑削加工技術作為先進制造技術的一項重要加工方式，目前已成為數控加工行業重要發展方向，在航空航天大型薄壁復雜結構件加工中得到了廣泛應用[3-5]。由于高速加工切削速度和進給速度較大，使其具有加工效率高、切削力小和加工質量高的特點，適合加工薄壁易變形的零件，同時可以有效地改善零件的局部變形情況。故薄壁窗戶采用高速銑削加工，可以解決常規加工窗戶變形的問題。采用高速切削的加工方式加工薄壁窗戶表面，可以保證零件的尺寸精度和形位精度；由于徑向進給小，斷屑能力強，加工過程產生的大部分切屑熱量來不及傳給刀具便飛濺出去，有效提高切削過程的穩定性。

高速加工也要選擇合適的加工策略和走刀路徑，加工策略選取不合適會造成工件加工質量差、縮短刀具壽命和增加加工成本。本次加工的工件材料是鋁，刀具材料為硬質合金，對窗格高速銑削時，采用高速擺線銑削，選取窗戶表面為加工面，生成擺線刀路軌跡如圖3（b）所示,同時將主軸轉速設為15 000 r/min，通過計算將切削速度設為2000 m/min，進給速度設為3000 mm/min，切削力足夠小，能夠完成對窗戶桁架的加工。

1.2 下層模型底部加工

1）建立輔助面。

下層模型底部由支柱、窗戶與座椅構成，支柱直徑為φ7 mm，高為65 mm，其剛性差，不穩定，直接加工易發生振動。因此在相鄰支柱之間增加輔助面，使6根支柱通過面來連接，提升模型底部結構的剛度和穩定性，如圖4（a）所示。但添加輔助面后，使模型底部變成了高度為65 mm的深型腔。

2）深型腔加工策略。

深型腔加工時機床與主軸會發生振動，刀桿與側壁會發生摩擦碰撞，可能會出現斷刀、表面粗糙等問題[6]。針對深型腔加工提出兩個方案：1）采用五軸加工的方式，將刀具傾斜一定角度，刀具進行環形銑削，如圖4（b）所示。2）在模型側面增加一定的斜度，避免側壁與刀柄摩擦，如圖4（c）所示。

圖4 底部深型腔加工策略

由于模型復雜，輔助線與輔助面較多，使用方案一使得編程更復雜，且加工效率低。方案二采用定軸加工，效率高、編程與加工簡單；方案二雖然改變了模型側面的斜度，但在加工完成后會切除模型側面，只留下支柱與座椅，不會影響模型最終的形狀，因此選擇方案二。通過計算將模型側面增加3°的斜度，型腔側壁不會與刀桿發生碰撞和摩擦。型腔加工完成后再把輔助面銑掉，最后對支柱采用等高精加工的策略進行精銑。

1.3 下層模型座椅加工

下層模型座椅位置以負面為主。在對其進行表面精加工及清根時，需要采用倒扣加工的方法[7]。如圖5所示，倒扣加工時刀具需穿過對面方形空間銑削座椅，受空間限制，刀柄與支柱、窗戶存在碰撞風險。為保證加工過程安全，工作臺最大翻轉角度應控制在120°內，同時選用細長的刀具和刀柄，避免碰撞干涉。但是刀具和刀柄伸入較長，類似懸臂梁結構，剛度不足，易發生振動。提升懸臂梁剛度有3種方式：增加臂的直徑、縮短臂的長度或增加材料的彈性模量。本次倒扣加工刀具需要伸入較長，所以不能通過縮短刀具長度來提升刀具的剛度；因此需要根據材料特性，通過增大刀具半徑來提升刀具的剛度，完成對座椅的加工。

圖5 座椅倒扣加工策略

2 工藝方案

1）加工方案。

依據先粗后精和先主后次的加工原則，對上下層模型關鍵區域進行工藝分析，確定整體加工順序為:上層模型先加工底部的下檐、支柱和窗戶，加工完成后翻轉180°，使用專用夾具裝夾上層模型，再加工模型頂部的屋頂。下層模型先加工頂部的屋頂和孔，加工完成后翻轉180°再加工底部的下檐、支柱、窗戶和座椅。基座結構簡單，屬于典型的盤類零件，直接加工頂部的凸臺和孔。最后將上下層模型和基座通過軸孔配合組裝起來，完成組合式六角亭的整體加工。

2）模型裝夾。

本次六角亭所有模型加工均采用三爪卡盤裝夾，滿足五點定位。上下層模型形狀特殊，一面加工完成后另一面無法裝夾，因此處理毛坯時均在其頂部預留一個工藝圓柱，以頂部平面為定位基準，對模型底部加工時用三爪卡盤夾持，加工完成后再去除工藝圓柱，如圖6所示。

圖6 裝夾模型毛坯

翻面加工上層模型頂部時，底部由支柱和窗戶構成，剛性差，無法直接裝夾，需設計專用夾具。加工1個直徑為150 mm的圓盤，圓盤周圍加工6個臺階孔，下方預留1個φ40 mm的工藝圓柱，再對模型6根支柱底部加工6個螺紋孔和螺紋，用螺栓將上層模型固定在圓盤上，如圖7所示。將圓盤與模型視為整體進行定位分析，以圓盤底面為定位基準，使用三爪卡盤裝夾工藝圓柱，滿足五點定位。

圖7 上層模型裝夾

3 程序仿真及加工

生成所有刀位軌跡后，采用DMU 65 mono BLOCK五軸加工中心的專用后置處理將刀位軌跡轉換成數控系統可以識別的NC程序，在VERICUT數控仿真軟件中進行多工位翻面加工模擬仿真[8-9]，對刀位軌跡安全性進行檢查。

六角亭模型中的屋檐和座椅部分均為復雜曲面，采用五軸聯動加工模式，窗格與頂部結構相對簡單，采用3+2定軸加工模式。對含有角度和弧度的屋檐結構，采用3+2定軸加工開粗，將機床轉過一定角度，以普通三軸的加工方式加工，可以有效地減少刀具移動距離，縮短加工時間，且刀具伸入不需要太長，刀具加工時更穩定，加工效率高；采用五軸等高精加工的方法進行精加工，根據設定的下切步距把曲面按照層切方式分割，得到曲面加工刀路，控制刀軸矢量進行五軸聯動加工，加工過程如圖8所示。窗格屬于多型腔結構，選用3+2定軸加工策略，用分層環切的方式加工，保證加工窗格時受力小，不變形。倒扣方向復雜的座椅面為平滑曲面，且兩側有相同的規則邊界，采用投影精加工的方法對其進行精加工，使刀具從正對一側的兩支柱之間伸入進行五軸聯動加工。

圖8 五軸聯動加工過程

在仿真驗證安全的情況下，將NC程序導入機床進行數控加工，完成了六角亭模型的上層、下層和基座的全部加工，最后將模型進行組裝，結果如圖9所示。檢測實際加工結果，窗戶變形很小，所有部位的尺寸精度和表面粗糙度基本滿足要求。

圖9 六角亭加工實物

4 結語

本文以組合式六角亭模型為實例，分析工藝難點與加工可行性，指出該模型的加工難點是模型形狀不規則和整體剛性差，并通過設計新的工藝方案解決加工難點，完成了模型整體的加工。新的加工工藝有助于提高加工效率和精度，為五軸數控加工提供了一個典型案例，對于五軸機床數控加工也具有指導作用和重要的實際意義。