伍偉杰，唐家會(huì)，李文輝

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 順德 528300）

隨著產(chǎn)品造型及其結(jié)構(gòu)的人性化、多樣化、藝術(shù)化和功能復(fù)合化，常規(guī)的三軸加工技術(shù)越來越不能滿足其加工要求，四軸、五軸等以上軸數(shù)的多軸加工技術(shù)，正快速地普及到民用工業(yè)當(dāng)中。多軸加工技術(shù)，可以加工復(fù)雜的空間曲面，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品造型及其模具的加工，而且刀具或刀具姿態(tài)角可調(diào)，避免刀具干涉、欠切或過切，簡化刀具形狀的同時(shí)，充分發(fā)揮刀具的切削性能；多軸加工技術(shù)還可以進(jìn)行一次裝夾，多工位加工，確保復(fù)雜零件的形位精度；多軸加工技術(shù)大大減免了專用工裝夾具和專用加工設(shè)備的使用，而使用常規(guī)夾具即可完成裝夾與加工制作，避免了復(fù)雜或過度工裝的設(shè)計(jì)與制造，顯著減少制造的輔助時(shí)間，提高加工精度和制造效率。

四軸加工設(shè)備可在現(xiàn)有的臥式或立式數(shù)控銑床（加工中心）上增加一個(gè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，即在X、Y、Z三軸基礎(chǔ)上，構(gòu)置多一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（A軸或B軸），這在當(dāng)前是較為經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)施方案，也越來越多在企業(yè)中得以應(yīng)用。

相對(duì)于昂貴及需高端技術(shù)支持的五軸加工設(shè)備，四軸加工設(shè)備配置簡單，可通過改造現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)，投入費(fèi)用低，編程操作容易，人員配套容易。在當(dāng)前的民用產(chǎn)品和工業(yè)裝備制造領(lǐng)域，需要四軸加工的零件市場額度大，普及更加迅速。

1 四軸零件特征

四軸零件特征主要指特征的中心線不平行、特征中心對(duì)稱面為空間曲面及類似特征加工，如中心線平行于某一平面，而在平面內(nèi)投影不平行的孔系加工，螺旋槽加工，倒勾面及回轉(zhuǎn)體零件加工，某些斜面等特征（三軸加工要用球刀，四軸加工可用立銑刀，能獲得較高的效率和表面品質(zhì)），等等。

四軸零件特征一般依附在常規(guī)的三軸加工特征上，并非完全在CAD/CAM軟件上使用四軸刀路進(jìn)行一個(gè)零件所有的編程，而是零件常規(guī)特征首先使用三軸刀路完成編程及粗精加工，再進(jìn)行四軸零件特征的四軸刀路編程及粗、精加工，而且必要的四軸特征，亦一般優(yōu)先使用三軸刀路進(jìn)行開粗。

綜合比較四軸零件的加工特征，主要分為兩大類：回轉(zhuǎn)定向加工特征，聯(lián)動(dòng)加工特征。

（1）回轉(zhuǎn)定向加工。首先通過數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)（旋轉(zhuǎn)軸）旋轉(zhuǎn)定位，繼而利用三軸（直線軸）刀路進(jìn)行周向結(jié)構(gòu)的加工，如圖 1（a）所示。

（2）聯(lián)動(dòng)加工。通過旋轉(zhuǎn)軸（A軸或B軸）和直線軸（X、Y、Z軸）的同時(shí)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行包括1個(gè)直線軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的2軸（1+1）聯(lián)動(dòng)加工、2個(gè)直線軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的三軸（2+1）聯(lián)動(dòng)加工、或3個(gè)直線軸和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的四軸（3+1）聯(lián)動(dòng)加工：

其一，三軸聯(lián)動(dòng)加工，主要特征是圓柱體上的螺旋槽結(jié)構(gòu)、紋理雕刻、法向曲面等等，典型結(jié)構(gòu)如圖1（a）、（b）、（c）所示；

其二，四軸聯(lián)動(dòng)加工，主要特征是非圓柱體、非圓柱體上的螺旋槽、紋理雕刻、法向曲面、非圓回轉(zhuǎn)的彎扭葉片等等，典型結(jié)構(gòu)如圖 1（d）、（e）、（f）所示。

圖1 典型的需配置旋轉(zhuǎn)軸加工的零件特征

2 典型四軸零件的數(shù)控編程與加工

四軸零件特征主要是回轉(zhuǎn)體、非圓回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)特征，或其上的定向加工特征。因此，四軸零件一般的工藝過程，是先車后銑的復(fù)合加工。圖2所示的旋蓋零件，是較為典型的四軸零件，作為所屬部件的外觀件，既要求保證階梯內(nèi)孔與芯軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)配合性能，也要求其外觀結(jié)構(gòu)相對(duì)位置精度高，表面光潔度好且美觀。

圖2 旋蓋零件的主要結(jié)構(gòu)特征

旋蓋的結(jié)構(gòu)特征分析及工藝編排如下：

（1）旋蓋（旋蓋冠、旋蓋環(huán)）基體特征為圓柱，外觀表面光潔度好，適合數(shù)控車削加工；

（2）中心階梯孔與芯軸配合，要求較高的同軸度、圓度和表面光潔度，適合數(shù)控車削加工；

（3）頂部凹槽及光孔適合數(shù)控銑削加工；

（4）旋蓋冠的對(duì)稱放樣曲面及標(biāo)志有90°的周向位置要求，旋蓋環(huán)的階梯槽、螺孔、徑向開槽同樣有周向位置要求，適合四軸的回轉(zhuǎn)定向加工；

（5）徑向開槽若用三軸刀路需使用球刀加工，而在四軸刀路中可使用平刀的側(cè)刃進(jìn)行聯(lián)動(dòng)加工，提高效率及表面品質(zhì)。

旋蓋零件材料為鋁，數(shù)量不多，為小批量生產(chǎn)，毛坯采用實(shí)心圓棒料，規(guī)格為：直徑Ф 105 mm，高度90 mm。

數(shù)車加工采用硬質(zhì)合金的機(jī)夾式刀具，數(shù)銑加工采用高速鋼的整體式刀具。旋蓋零件的結(jié)構(gòu)較多，工藝過程依照裝夾次數(shù)最少原則，編排結(jié)構(gòu)特征的加工順序，而每一結(jié)構(gòu)特征分粗、精加工兩工步進(jìn)行。粗加工用大刀具快速地加工出工件大致形狀，保留適當(dāng)余量，精加工根據(jù)具體結(jié)構(gòu)特征，采用不同的刀具及工藝分區(qū)域加工，保證加工效果和加工精度。

主要的工藝過程如表1所列。

表1 旋蓋零件數(shù)控加工工藝過程

2.1 數(shù)控車削加工

車削加工相對(duì)銑削加工能有效保證回轉(zhuǎn)體的圓度精度、軸階梯的同軸度、加工面的表面粗糙度，因此工藝過程首先編排在數(shù)控車床上加工旋蓋零件的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（外圓柱面、階梯內(nèi)孔），數(shù)控車床工位上分兩工步進(jìn)行，工序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)控車削工序結(jié)構(gòu)

第一工步，卡盤夾緊旋蓋環(huán)端，夾持長度約30 mm，車削旋蓋冠端外圓柱面；先鉆后鏜加工此端的光孔。

第二工步，卡盤夾緊旋蓋冠端，裝夾面輔以紫銅皮保護(hù)，打表找正保證其同軸度，車削旋蓋環(huán)外圓柱面；先鉆后鏜加工此端階梯孔（與芯軸配合）。

2.2 頂部凹槽、孔、標(biāo)志平面的銑削加工

采用卡盤裝夾，卡盤用壓板固定在工作臺(tái)面，夾緊旋蓋環(huán)端，打表調(diào)平。頂部凹槽采用平底銑刀用2.5軸環(huán)切刀路完成粗、精加工，兩個(gè)光孔使用Ф 7.8 mm鉆頭預(yù)鉆，再使用Ф 8 mm鉸刀精加工。

加工標(biāo)志平面的主要目的，是標(biāo)志平面作為后續(xù)工步的對(duì)刀基準(zhǔn)，確保結(jié)構(gòu)之間的位置精度，此處使用Ф 20 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路完成粗、精加工。工序結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 頂部銑削加工

2.3 旋蓋環(huán)上特征的銑削加工

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)（A軸）卡盤夾持旋蓋冠端，卡爪錯(cuò)開避免夾持住標(biāo)志平面。以標(biāo)志平面為對(duì)刀基準(zhǔn)，使用四軸加工技術(shù)，來有效保證徑向開槽等結(jié)構(gòu)特征的相對(duì)位置。螺孔采用Ф 6.7 mm鉆頭預(yù)鉆，M8×0.75絲錐攻牙。階梯槽使用Ф 8 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路完成粗、精加工。徑向開槽借助四軸聯(lián)動(dòng)加工策略，采用CimatronE的五軸側(cè)向銑刀路，后置處理為四軸加工程序，使用Ф 8 mm的平底銑刀側(cè)刃，層深0.2 mm，進(jìn)退刀點(diǎn)選取槽外部，分粗、精加工完成，如圖5、圖6所示。

圖5 旋蓋環(huán)上特征加工

圖6 徑向開槽加工的刀路軌跡

旋蓋環(huán)內(nèi)孔暫不加工的目的，是保證后續(xù)夾持旋蓋環(huán)端加工旋蓋冠時(shí)的夾持位置和夾持剛度。

2.4 旋蓋冠上特征的銑削加工

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)（A軸）夾持旋蓋環(huán)端，以標(biāo)志平面為對(duì)刀基準(zhǔn)，使用四軸加工技術(shù)來有效保證放樣曲面等結(jié)構(gòu)特征的相對(duì)位置。標(biāo)志使用雕刻尖刀用2.5軸開放輪廓銑刀路加工，刻畫深度為0.1 mm。對(duì)稱放樣曲面通過數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)定向，首先三軸環(huán)切開粗，再使用R 3 mm球刀用三軸精銑所有刀路精加工，平面部分用Ф 20 mm平底銑刀用2.5軸開放輪廓銑刀路精加工。工序結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 旋蓋冠的標(biāo)志雕刻及對(duì)稱放樣面銑削加工

2.4 旋蓋冠上特征的銑削加工

平口鉗夾持旋蓋冠對(duì)稱放樣曲面的平面部分，對(duì)刀找準(zhǔn)工件，使用Ф 16 mm平底銑刀用2.5軸環(huán)切刀路完成旋蓋環(huán)內(nèi)孔的粗、精加工，得到完成的階梯槽及徑向開槽的完整結(jié)構(gòu)，完成旋蓋零件的全部加工，加工過程及所在部件裝配圖如圖8所示。

圖8 旋蓋零件的加工與實(shí)物圖

3 結(jié)束語

四軸加工技術(shù)投入成本不高，負(fù)擔(dān)不大，結(jié)合常規(guī)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)數(shù)控車削和數(shù)控銑削的復(fù)合加工，在回轉(zhuǎn)體、非圓回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的加工及其多特征的定向加工方面，在工裝和設(shè)備使用、加工效果、加工效率等方面，對(duì)民用產(chǎn)品和工業(yè)裝備零部件的制造效益，具有顯著的促進(jìn)作用。

[1]賴新建，曾昭孟，何華妹.CimatronE多軸數(shù)控加工基礎(chǔ)教程[M].北京：人民郵電出版社，2009.