五軸聯(lián)動數(shù)控加工研究

劉鐵軍

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學智能制造學院，浙江 東陽 322100）

零件加工過程中，以往采用的是三軸機床，該機床雖然可滿足大部分類型零件的加工制造，但效率低，質(zhì)量相對較差，且很難完成一些復雜零件的制造。這一背景下，機械加工領(lǐng)域經(jīng)過大量研究，逐漸研發(fā)出了加工效率與質(zhì)量更高的零件加工工藝，即五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)。但需要注意的是，由于該技術(shù)采用了旋轉(zhuǎn)軸，將會導致軸矢量出現(xiàn)突變的問題，在高速加工過程中，很容易使刀具或工件損壞，因而該技術(shù)的應(yīng)用依然不是很廣泛。

1 零件模型概況

1.1 零件尺寸

本文研究中，選擇了S 形試件作為研究對象，對五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)展開了研究。S 形試件是現(xiàn)代機械制造領(lǐng)域常見的工具之一，通過S 形試件的應(yīng)用，可對機床予以檢驗，判斷機床是否存在缺陷，以免生產(chǎn)出規(guī)格不符合要求的零件。S 型檢測試件是一個結(jié)構(gòu)較為復雜的零件，共由兩部分構(gòu)成，一個為S 型的緣條，其各區(qū)域的厚度完全相同，另一個為矩形基座，用于對緣條的支撐，在基座的上部，包含4 個階梯孔，用于工件的裝夾；包含2 個定位孔，用于安裝定位與測量基準，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1 所示。S 形試件加工時，將基座的上表面為Z=0mm 平面，以矩形基準左邊的定位孔φ16H9 作為中心，構(gòu)建出相應(yīng)的坐標體系。對于矩形基座來說，高度為30mm，且在其4 個角處，預留出1 個階梯孔。在基座的上方，安裝S 型緣條，其厚度為3mm，且與基座間存在一定角度，兩者并不垂直。

圖1 S 型試件尺寸模型

1.2 建模流程

由于S 型試件結(jié)構(gòu)復雜，使得其建模流程較為煩瑣，具體為：登錄到相應(yīng)的建模軟件后，向其中錄入2 組數(shù)據(jù)點，每組各50 個，共100 個，其中1 組在Z=0mm 平面上，1 組在Z=40mm 平面上。以此為基礎(chǔ)，在各平面內(nèi)，分別構(gòu)建出相應(yīng)的三節(jié)樣條曲線，之后利用該曲線當作導線，通過直線掃略的方式，構(gòu)建出直紋面。然后向著X 軸的方向上，將直紋面拉伸3mm，使其厚度增加到3mm，以此得到上部緣條。最后，在軟件新建頁面內(nèi)，繪制出基座的模型，并通過布爾求差的方式，在模型適當位置處構(gòu)建出6 個孔洞，其中，4 個作為階梯孔，2 個作為定位孔，以此完成整個S 型試件建模工作。

2 數(shù)控編程

2.1 加工工藝分析

通過S 型試件模型分析能夠發(fā)現(xiàn)，緣條和基座之間存在一定的角度，兩者并不垂直，屬于非直壁零件，因而很難通過三軸機床進行加工處理。基于此，本研究對S 型試件加工時，采用了五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)，先構(gòu)建S 型試件加工流程卡片，并利用含有UG NX 功能的CAM 系統(tǒng)，通過多軸銑削變成的方式，設(shè)計出相應(yīng)的加工刀路軌跡前置指令，構(gòu)造出AB 雙擺頭型五軸后置處理器，在前置指令的控制下，即可得到S 型試件數(shù)控加工后置G 代碼。S 型試件加工時，需要針對試件材料特性，選擇最佳的加工方式，設(shè)置合理的切削參數(shù)。針對本研究所采用的試件來說，選擇的是7175-T7451鋁合金，其緣條厚度是3mm，是一種薄壁件。另外，在緣條和基座之間存在一定的角度，是非直壁零件。針對該試件的材料特性，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，可得到加工流程卡片，其中主要包含4 個環(huán)節(jié)，分別為坯件粗加工、緣條粗加工、緣條精加工與基準孔加工，如圖2 所示。

圖2 加工流程卡片圖

2.2 刀路軌跡規(guī)劃

根據(jù)該試件加工工藝，可確定出各環(huán)節(jié)加工內(nèi)容，設(shè)計每個環(huán)節(jié)的加工方法，選擇最佳的加工刀具，具體如表1 所示。

表1 加工內(nèi)容及刀具的選擇

針對UG CAM 的編程步驟，先在軟件內(nèi)，將前期構(gòu)建的模型打開，并跳轉(zhuǎn)到UG 加工編程界面內(nèi)。然后以此為基礎(chǔ)，結(jié)合加工流程，加載毛坯件，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

2.2.1 沉頭孔處理

對沉頭孔處理時，主要由工序1 與工序2 完成。在界面相應(yīng)的對話框內(nèi)，錄入“drill”，可自動跳轉(zhuǎn)到鉆削加工界面。在該界面當中，構(gòu)建3 把刀模型，分別為：（1）刀具T1，為Spotdrilling-Tool 中心鉆，半徑為10mm，長度是65mm，作為定位孔的處理工具；（2）刀具T2，為Drilling-Tool 鉆刀，半徑為10mm，長度是65mm，作為φ20 通孔的處理工具；（3）刀具T3，為Counterboring-Tool 锪刀，半徑是16mm，長度是50mm，作為φ32 沉頭孔的處理工具。之后，設(shè)計工序：選得到中心孔，然后得到通孔，最后得到沉頭孔，以此結(jié)束該環(huán)節(jié)的加工工序。

2.2.2 型腔銑

主要由工序3 完成，操作流程為：在型腔銑加工界面內(nèi)，構(gòu)建出1 個立銑刀模型，其半徑是16mm，圓角半徑是3mm。然后設(shè)置部件、毛坯等相關(guān)參數(shù)。針對零件結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計刀具軌跡，并設(shè)置切削方法，即“跟隨周邊”；添加切削參數(shù)，其中，對于底面余量來說，設(shè)置成0.5mm，對于側(cè)壁余量來說，設(shè)置成2mm；添加進給率參數(shù)，設(shè)置運行速度，最后點擊確定，即可自動得到刀具的軌道控件。

2.2.3 S 型面精加工

該環(huán)節(jié)是整個S 型試件加工的重點，直接關(guān)系到整個試件的加工質(zhì)量。針對S 性試件的結(jié)構(gòu)特點，可采用多種精加工方法，常見的有下述4 種。

（1）順序銑。點擊“創(chuàng)建”選項，在多軸銑一欄內(nèi)，點擊“順序銑”，以此跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)編程界面中。在該界面內(nèi)，構(gòu)建出立銑刀模型，其半徑是10mm；構(gòu)建安全平面；在“進刀設(shè)置”項目內(nèi)，確定進刀方式，設(shè)置相應(yīng)的參考點，選擇相匹配的幾何體；在“刀軌運動”項目內(nèi)，分別構(gòu)建檢查、驅(qū)動曲面及部件的表面；結(jié)束推刀。（2）外形廓銑。在多軸銑一欄內(nèi)，點擊“輪廓銑”，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)編程界面中。該界面內(nèi)，按照第一種方法，構(gòu)建銑刀模型，構(gòu)建幾何體。之后將基座上表面當做底面，將緣條曲面當作側(cè)壁；在“驅(qū)動方式”項目內(nèi)，選擇“外形輪廓銑”；在“刀軸設(shè)置”項目內(nèi)，選擇自動模式；在“加工方法”項目內(nèi)，點擊精加工選項。（3）分層外形輪廓銑。以第二種方法為基礎(chǔ)，分別選擇8 個輔助面，以此通過分層加工的方式，進一步對緣條進行加工處理。（4）分層可變輪廓銑。在多軸銑一欄內(nèi)，點擊“可變輪廓銑”；將緣條表面當作驅(qū)動曲面，并在“切削模式”項目內(nèi)，選擇單相，將步距設(shè)置成6；在“投影矢量”項目內(nèi)，點擊面向驅(qū)動體；在“刀軸模式”項目內(nèi)，點擊側(cè)刃驅(qū)動體；其他操作與設(shè)置和第一種方式一致。

2.2.4 基座表面與中心孔加工

主要由工序5 與工序6 完成，用于對整個試件加工精確度的測量。進入創(chuàng)建工序界面，在“鉆孔模式”一欄內(nèi)，點擊“標準鉆孔”，跳轉(zhuǎn)到孔加工界面；構(gòu)建鉆到模型，其半徑為8mm；設(shè)置基準孔；將安全距離谷值設(shè)置成80mm；在“循環(huán)類型”項目內(nèi)，選擇標準鉆。

2.3 五軸后處理

對于刀位軌跡資料來說，數(shù)控機床通常很難識別，無法直接將其應(yīng)用到S 型試件加工中。與此同時，不同類型機床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，連接的數(shù)控系統(tǒng)并不相同。所以，在得到刀位軌跡資料后，應(yīng)予以適當處理，使其變?yōu)橄鄳?yīng)的程序代表，以被數(shù)控機床所識別。對于這一過程來說，則是后置處理。本文研究中，采用的是專用后置處理元件，其中，UG/Post Builer 當作開發(fā)工具。在后置處理元件內(nèi)，針對機床類型與特點，對各項參數(shù)進行設(shè)定。之后以此為基礎(chǔ)，將刀路軌跡資料傳輸?shù)胶笾锰幚碓?nèi)，自動轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的后置命令。

3 虛擬加工仿真

3.1 構(gòu)建仿真平臺

在數(shù)控仿真軟件方面，采用的是VERICUT 系統(tǒng)，針對機床的運行特點，結(jié)合相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，在該系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)建出相應(yīng)的機床模型拓撲結(jié)構(gòu)。在UG 界面內(nèi)，繪制出各機床的三維模型，并從以此為基礎(chǔ)，不斷導出各個組塊，然后針對拓撲結(jié)構(gòu)特點，將其傳輸?shù)絍ERICUT 系統(tǒng)中，設(shè)置組件的相關(guān)參數(shù)，進而得到AB 雙擺頭五軸聯(lián)動數(shù)控機床模型。得到機床模型后，應(yīng)將位置、運動模式等初始化處理，以使機床模型處于初始狀態(tài)。最后，在模型中，錄入相應(yīng)的控制系統(tǒng)，以用于零件加工時的自動化控制。本研究中，選擇的是840D 數(shù)控軟件。

3.2 NC 后置程序驗證

在“項目樹”一欄內(nèi)，選擇“坐標系統(tǒng)”，以構(gòu)建出新坐標系；在坐標系內(nèi)，點擊“Stock（0,0,0）”，選擇400×200×40mm 的矩形塊，以此得到毛坯模型；點擊“Design（0,0,0）”，導入試件的模型；右鍵點擊“加工刀具”，選擇“刀具管理器”，之后依次點擊“添加”“刀具”“新”“銑削”，由此構(gòu)建出6 把刀具；點擊“程序”一項，載入轉(zhuǎn)化后的后置指令；在“項目上述”一欄內(nèi)，點擊“工位：1”，選擇“G-代碼”，以跳轉(zhuǎn)到“徑向刀具補償”列表內(nèi)，并設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)；選擇“G-代碼偏置”，設(shè)置坐標系。之后點擊“保存”，并選擇“啟動”，機床則自動完成S 型試件加工操作。

3.3 模型誤差對比

通過該方式對S 型試件加工時，并未出現(xiàn)過切或少切的問題，且整個加工過程中，并未出現(xiàn)碰撞，由此表明，該加工技術(shù)就有較好的應(yīng)用效果。為了進一步了解不同S 型面精加工方法的精確性，本文還分別將上述介紹的四種方式錄入仿真軟件內(nèi)，并分解進行了試件仿真加工分析。通過對四個分析模型的觀察可以發(fā)現(xiàn)，采用第一種方法時，在S 型試件表面內(nèi)，出現(xiàn)了大量圓形框，且面積很大，表明其存在很大的誤差；采用第二種方法時，也出現(xiàn)了較大面積的圓形狂，表明其誤差也較高。而采用后兩種方式時，圓形框的面積非常小，尤其是第三種方式，圓形框的面積可以忽略不計，由此表明，第三種方式的加工精確性最高。

4 切削試驗

按照上述流程，以第三種S 面精加工方法為主，采用7075-T7451 鋁合金制作出了S 型試件，在試件緣條上，分別于10mm、22.5mm 與30mm 位置處，設(shè)置3 條截取線，并按照相同的間距，設(shè)置25 個檢測點，之后以此為基礎(chǔ)，通過與理論模型的比較，推導出各點位的法向誤差。最后，通過可視化技術(shù)手段，將法向誤差結(jié)構(gòu)投射到S 型試件表面上，利用不同的灰度值，對誤差情況進行區(qū)分，表面越明亮，所存在的正誤差值越高，反之，負誤差值越高。通過試驗結(jié)果觀察能夠發(fā)現(xiàn)，對于本文介紹的五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)來說，反向誤差較小，處于±50μm 范圍內(nèi)，符合規(guī)定要求。

5 結(jié)語

綜上所述，五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是現(xiàn)代機械加工領(lǐng)域較為常見的零件加工方式，利用該技術(shù)不僅可以快速完成復雜零件的加工處理，而且還提升了零件加工的精確度，誤差控制在±50μm 范圍內(nèi)，符合規(guī)定要求，因而可將其推廣到復雜零件加工中。