壓花輥軸的四軸數控加工優化方法研究*

鐘小鳳，孫朗基，梁益梅

（1.廣西職業技術學院智能制造學院，廣西 南寧 530226；2.廣西建機租賃有限公司，廣西 南寧 530226）

壓花輥軸的形狀特征大多為圓柱曲面，通過在表面設計個性化的花紋，滿足皮革制品、鋁箔制品、熔噴布制品、紙制品等各類柔性材料的廠家logo 印制、個性化圖案印制、輥切等需求[1-3]，而要在圓柱曲面上雕銑出復雜的花紋，一般采用四軸加工中心進行加工[4]。常見的四軸加工中心是在原有三軸加工中心上，在與X 軸平行的工作臺面上增加一個繞著X 軸旋轉的第四軸，即A 軸[5-6]。四軸加工適用于加工一些表面形狀復雜、精度要求高的軸類、盤套類零件，加工工序較多，常規的手動編程難以滿足加工要求，因此必須在加工前合理設計加工工藝方案，借助軟件進行自動編程和校驗程序，以驗證工藝方案的合理性以及加工程序的準確性，由此減少加工風險、降低加工成本、提高加工效率。

1 壓花輥軸三維建模

1.1 壓花輥軸的二維圖紙分析

圖1 為壓花輥軸的二維圖紙，由二維圖可知，纏繞在Ф79 的圓柱上的花紋紋路有正弦曲線、中文字體、英文字體，花紋高度為2 mm。

圖1 壓花輥軸二維圖

1.2 壓花輥軸的三維模型建立

壓花輥軸形狀結構復雜，加工工序要求嚴格，通常需要配備電腦并安裝相應的輔助軟件進行前期的建模、編程、仿真等工作內容[7]。根據二維圖紙正確地建立三維模型，是實現自動編程的必備步驟。由于花紋高度為2 mm，在建立三維模型時需要注意實際建模軸徑尺寸的選擇應為Ф75，通過花紋形狀再次拉伸得出Ф79 的軸徑。使用UG NX 12.0 軟件建模步驟為：1）使用圓柱命令對七處圓柱段依次拉伸；2）在花紋段截面處用草圖畫Ф79 的圓；3）拉伸Ф79 圓成145 mm 長的片體；4）將片體展開成曲線；5）在曲線上繪制正弦曲線、中文字體、英文字體的草圖；6）將繪制好的草圖纏繞在Ф79*145 的片體上；7）將片體隱藏；8）對纏繞的花紋曲線單個逐一用N邊曲面建成片體；9）對各個花紋片體進行單獨加厚至與Ф75 圓柱可合并，且與圖紙上各凸起的花紋高度一致；10）倒R2 圓角；11）倒角，最終得出壓花輥軸的三維模型，如圖2所示。

圖2 壓花輥軸三維模型

2 壓花輥軸加工工藝方案擬定

2.1 定位基準的選擇

合理選擇定位基準，能保證良好的加工精度，從而達到零件的質量要求。因此，確定加工的定位基準，分別是粗基準和精基準。1）粗基準的選擇。在考慮如何選擇粗基準時，首先要考慮到產品表面平整度、光潔度、零件形狀特點等，為了保證壓花輥軸的加工精度，優先銑削待去除余量大的部位，選擇圓柱的軸心、Ф79 花紋軸段部位中間為壓花輥軸的粗基準。2）精基準的選擇。在精基準的選取上，遵循“基準重合”“基準統一”“自為基準”“互為基準”四項基本準則[8]。

2.2 加工工藝路線的擬定

不一定要對零件所有的內容都進行四軸加工，在對零件進行四軸加工前，需要對圖紙進行工藝分析之后才能確定具體的四軸加工內容和加工工序。通常分析確定的順序為：1）將普通機床、數控車床、三軸加工不能完成的加工內容作為首選內容；2）普通機床、數控車床、三軸加工難以加工或質量無法保證的內容要作為重點內容[9]。在設計加工工序時，首先要確定好加工內容、工藝裝備、加工用量等，為后續工作做好準備；其次要合理安排加工順序，加工順序的安排要根據零件的毛坯形狀、結構、裝夾定位要求綜合考慮，保證加工工件剛性滿足要求；最后是工序劃分，通常要求粗精分開、一次定位、減少換刀等。當設計工藝路線充分考慮以上所提到的內容，就會對生產效率、生產質量以及經濟效益方面的提升有所幫助。

壓花輥軸零件的加工位置精度、表面質量要求較高，在加工工藝路線擬定的過程中，應結合輥軸的表面形狀特點及尺寸精度要求充分考慮采用合理的裝夾方式和加工方式。壓花輥軸屬于較長的軸類零件，為了減少夾持和加工過程機床震動對加工質量的影響，選取三爪卡盤配合固定頂尖使用，在Φ18×15 的端面打中心孔，采用一夾一頂的裝夾方式，并在頂尖孔處涂抹黃油，減小頂尖與輥軸的摩擦，三爪卡盤夾持左端Φ30×20 的外圓，頂尖頂住Φ18×15 的右端面，提高輥軸的剛性和加工可靠性，保證輥軸的形位精度和表面粗糙度[10]。在加工方式上，遵循先粗后精的加工原則，首先應對大面積余量部分去除開粗，并預留適當均勻的切削余量，然后對文字、凸臺、正弦曲線部分進行加工，最后加工鍵槽。加工工序過程如表1 所示。

3 壓花輥軸加工程序編制

3.1 手工編程部分

由于坐標補償宏程序和在線測量與補償宏程序，需測量點位的數量較少，具有計算方便快捷、程序量不大等優點，所以采用手工編程。

手工編程部分主要涵蓋主程序、坐標補償宏程序、在線測量與補償宏程序。通過主程序可調用其他各加工程序，程序較短且簡單。為了方便后續加工，其中某一個程序需要修改或者更換時，可在主程序手動快速修改其所需調用的程序，以節省程序更改所需時間。所以采用主程序調用子程序的方式可實現分中對刀、坐標補償、輥軸加工、自動測量的程序調用。

3.2 自動編程部分

大多數或所有程序工作都是由電腦來進行的，稱為自動化程序。編程人員只需要按照產品的圖紙和技術需求，用指定的語言編寫源代碼，或把圖形數據錄入計算機，由計算機進行自動處理，計算出刀具中心的運動軌跡，編制加工程序列表，形成需要的控制介質，通過計算機可以自動繪制出走刀的軌跡，從而很容易地糾正編程錯誤。輥軸的外形比較復雜，加工程序也相對復雜，計算量大，手工編程難以實現，且容易出錯，所以輥軸的加工程序和誤差補償加工程序都采用UG NX 12.0軟件自動編程實現。

1）后處理器開發。后處理器開發關系到點位數據的正確生成，如果不能正確設置，會導致點位數據生成錯誤，從而導致刀路轉曲線失敗。以下是后處理器的開發步驟：在開始中找到Siemens NX 12.0 文件夾，在文件夾中找到后處理構造器。①打開后處理構造器；②新建后處理，輸出單位改為mm，其他默認點擊確定；③輸出循環記錄改為否；④點擊左上方程序和刀軌，在程序起始序列中只留下第二個，其余拖動刪除；工序起始序列、工序結束序列及程序結束序列全部刪除；刀徑運動中點擊線性運動，只留下X、Y、Z 其余刪除，再分別右鍵選擇編輯X、Y、Z，將引導符刪除模態改為否，點擊確定；點擊快速移動，在空白處右鍵刪除所有活動單元，工作平面更改關掉；⑤點擊上方輸出設置，將輸出文件拓展名改為dat 格式；⑥保存。

2）生成程序。采用刀路轉曲線的方法，將三軸刀路轉換成四軸編程上的輔助引導線，也就是將初步的刀路后處理得到其點位數據，將處理過的點位數據導入UG NX 12.0 軟件擬合成曲線，將擬合的二維曲線纏繞在輥上后利用其曲線作為最終的程序刀路。具體步驟：①打開NX 12.0 加工模塊，創建刀具；②選擇平面銑，選擇正弦曲線、中文字體、英文字體草圖上的線條（封閉區域內外需分兩個程序），生成刀路；③使用自制的刀路轉曲線后處理器進行后處理；④回到建模模塊，搜索命令“樣條曲線（即將失效）”，點擊該命令，選擇通過點，曲線次數改為1，再點擊文件中的點找到剛才后處理出來的dat 文件，打開；⑤使用纏繞曲線命令將曲線纏繞至輥上作引導線；⑥使用四軸銑削方法進行編制程序。

3）仿真驗證刀軌。基于前述建立的三維模型、工藝過程和自動生成程序，UG 仿真結果表明，加工參數設置合理，加工程序可行。圖3 為展開曲線的2D 草圖，圖4 為四軸加工仿真刀路，圖5 為工序導航器加工程序。

圖4 四軸加工仿真刀路

圖5 工序導航器加工程序

4 壓花輥軸實體加工

在UG NX 12.0 軟件上仿真驗證程序對應的刀軌無誤后，利用開發的后處理器將程序導出，以FANUC-oi 系統四軸加工中心為平臺，采用一夾一頂的方式裝夾，將程序傳輸至加工中心，經過“程序檢查—工件裝夾—刀具裝夾—對刀操作—粗加工—精加工—質量檢測”等實踐操作環節，完成壓花輥軸實體加工。測量結果表明加工質量達到預期，證明工藝合理、編程準確、加工方法可行。壓花輥軸四軸加工實物如圖6 所示。

圖6 壓花輥軸四軸加工實物

5 結論

1）借助UG NX 12.0 軟件建立三維模型，簡化了壓花輥軸復雜形狀的編程方法，解決了手動編寫復雜形狀零件加工程序難的問題。

2）擬定合理的加工工藝方案，可有效指導編程和加工工作開展。

3）借助UG NX 12.0 軟件通過刀路轉曲線的方法能較快生成出壓花輥軸表面特征的程序，可有效降低編程技術要求，減少編程算量，縮短編程時間，提高生產效率。

4）實際加工證明，該加工方法可行，并為同類復雜輥軸類零件的數控加工提供了一定的技術參考。