匡和碧

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

“多軸銑加工編程”課程教學(xué)探討與實(shí)踐

匡和碧

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

介紹了多軸機(jī)床的概念、類型和結(jié)構(gòu)，總結(jié)了多軸加工特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了“多軸銑加工編程”課程教學(xué)情境，給出基于UGNX的多軸銑加工編程方法，使用VERICUT軟件進(jìn)行了切削仿真驗(yàn)證，最后給出了真機(jī)實(shí)切結(jié)果．

多軸銑加工編程；教學(xué)情境設(shè)計(jì)；UGNX；VERICUT

1 多軸機(jī)床概念、類型、結(jié)構(gòu)及加工特點(diǎn)

1.1 多軸機(jī)床概念、類型、結(jié)構(gòu)

我們熟悉的數(shù)控機(jī)床有XYZ 3個(gè)直線坐標(biāo)軸，繞其旋轉(zhuǎn)的軸分別稱之為A軸、B軸、C軸，多軸是指在一臺(tái)機(jī)床上至少具備第4軸.

目前生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的多軸機(jī)床可分為2大類，一類是五軸機(jī)床、一類是四軸機(jī)床.五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)可劃分為3種，如圖1所示.

1）雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)：刀軸方向不動(dòng)，2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在工作臺(tái)上；工件加工時(shí)隨工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，須考慮裝夾承重，能加工的工件尺寸比較小.

2）雙擺頭結(jié)構(gòu)：工作臺(tái)不動(dòng)，2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸均在主軸上.機(jī)床能加工的工件尺寸比較大.

3）轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭結(jié)構(gòu)：2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別放在主軸和工作臺(tái)上，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，可裝夾較大的工件；主軸擺動(dòng)，改變刀軸方向靈活.

1.2 多軸加工的特點(diǎn)[1]

與三軸加工相比，多軸加工具有如下優(yōu)勢(shì)[2]：1）可有效避免刀具干涉，如圖2（a）所示. 2）對(duì)于直紋面類零件，可采用側(cè)銑方式一刀成型，如圖2（b）所示.

3）對(duì)一般立體型面特別是較為平坦的大型表面，可用大直徑端銑刀端面貼近表面進(jìn)行加工，如圖2（c）所示.

圖1 五軸機(jī)床典型結(jié)構(gòu)

圖2 多軸機(jī)床加工特點(diǎn)

4）可一次裝夾對(duì)工件上的多個(gè)空間表面進(jìn)行多面、多工序加工，如圖2（d）所示.

5）五軸加工時(shí)，刀具相對(duì)于工件表面可處于最有效的切削狀態(tài).零件表面上的誤差分布均勻，如圖2（e）所示.

6）在某些加工場(chǎng)合，可采用較大尺寸的刀具避開干涉進(jìn)行加工，如圖2（f）所示.

2 多軸銑加工編程課程教學(xué)情境設(shè)計(jì)

多軸機(jī)床應(yīng)用越來越廣泛，汽車、飛機(jī)、發(fā)電設(shè)備、家具制造等行業(yè)均已普遍使用多軸機(jī)床[3].根據(jù)被加工零件的特征可將多軸機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域分為三大類：多面體加工、多軸定位加工、多軸輪廓加工.根據(jù)CIM（中國(guó)機(jī)床信息網(wǎng)）調(diào)查數(shù)據(jù)，多軸加工中5面體加工占市場(chǎng)份額22%，3+2軸定位加工占市場(chǎng)份額73%，5軸輪廓加工占市場(chǎng)份額5%.

根據(jù)CIM調(diào)查結(jié)果，結(jié)合我校多軸銑加工編程課程教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于UGNX軟件進(jìn)行多軸銑加工編程的教學(xué)情境，如表1所示.

表1 多軸銑加工編程課程教學(xué)情境設(shè)計(jì)表

3 多軸與三軸銑加工編程的主要區(qū)別

1）多軸編程與三軸編程順序不一樣.三軸加工：建模→生成軌跡→生成代碼→裝夾零件→找正→建立工件坐標(biāo)系→加工.

五軸加工：建?！绍壽E→裝夾零件→找正→建立工件坐標(biāo)系→根據(jù)原點(diǎn)坐標(biāo)生成代碼→加工.

2）多軸銑編程須考慮刀軸的控制.三軸銑床加工編程不需要考慮刀軸的變化，刀軸方向始終指向+Z軸方向；而多軸銑加工時(shí)刀軸方向是變化的，編程時(shí)須考慮刀軸的控制方式，這是多軸銑加工編程與三軸銑加工編程的主要區(qū)別.

3）多軸銑編程須進(jìn)行機(jī)臺(tái)碰撞檢查.多軸加工時(shí)，由于工作臺(tái)或刀頭的擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，加工過程中容易發(fā)生主軸或刀具跟工件、夾具、工作臺(tái)的碰撞，這種碰撞稱機(jī)臺(tái)碰撞.因此，多軸機(jī)床必須進(jìn)行有機(jī)床主軸、刀具、工件的運(yùn)動(dòng)仿真檢查，只有通過這樣仿真無碰撞的程序，才可以放心在多軸機(jī)床上運(yùn)行.

4 多軸銑加工編程實(shí)例

以情境四為例，對(duì)多軸編程過程說明如下：

1）零件結(jié)構(gòu)及加工工藝.圓柱傳動(dòng)凸輪的輪廓尺寸為φ80×80，凸輪槽深20 mm，槽寬30 mm，槽壁與槽底面垂直.凸輪槽的加工應(yīng)采用四軸聯(lián)動(dòng)加工，工序分為即凸輪槽開粗、凸輪槽底面精加工、凸輪槽左側(cè)面精加工、凸輪槽右側(cè)面精加工.由于槽寬僅為30 mm，因此采用φ20的平底刀對(duì)凸輪槽2個(gè)側(cè)壁分別進(jìn)行精加工時(shí)，也可獲得凸輪槽底面的精加工.

傳動(dòng)凸輪材料為45鋼，為便于裝夾及加工，本次加工的毛坯選用鋁棒尺寸為φ80mm×120mm，凸輪槽加工完成后再用車床切斷成型.

2）機(jī)床結(jié)構(gòu)及參數(shù).本次加工采用的四軸機(jī)床結(jié)構(gòu)見表1，除X、Y、Z3個(gè)線性軸之外，還配有繞X軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸A.X、Z為主動(dòng)軸，Y為X的依附軸，A為Y的依附軸，機(jī)床控制系統(tǒng)為HNC-21M華中世紀(jì)星.

X/Y/Z軸的運(yùn)動(dòng)范圍：900/700/500 mm

A軸運(yùn)動(dòng)范圍：0~360°.

3）刀路軌跡生成方法.本文使用UGNX8.5軟件來生成刀路軌跡.由于凸輪槽粗、精加工刀路軌跡生成方法類似，限于篇幅，在此只簡(jiǎn)要介紹凸輪槽開粗的刀路軌跡生成方法.多軸加工時(shí)的刀路軌跡生成方法與三軸加工時(shí)的刀路軌跡生成方法的不同之處在于需要設(shè)定“投影矢量”和“刀軸”.本文中多軸加工的“投影矢量”可設(shè)定為“刀軸”，如圖3所示.“刀軸”設(shè)定為“遠(yuǎn)離直線”, 如圖4(a)所示；在彈出的在“遠(yuǎn)離直線”對(duì)話框中“指定矢量”設(shè)定為X軸，“指定點(diǎn)”可設(shè)定為加工坐標(biāo)系原點(diǎn)，如圖4(b)所示.

根據(jù)本例機(jī)床結(jié)構(gòu)及參數(shù)在VERICUT軟件中建立仿真機(jī)床的模型結(jié)構(gòu)樹如圖5所示，在設(shè)定好“切削參數(shù)”、“非切削移動(dòng)”、“進(jìn)給率和速度”等參數(shù)后，生成的多軸加工刀路軌跡如圖6所示.

4）毛坯裝夾及對(duì)刀.將毛坯裝夾在四軸機(jī)床的轉(zhuǎn)臺(tái)卡盤上，通過百分表找整，使得毛坯中心線與轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心線重合.裝好刀具，并以毛坯外端面（遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)臺(tái)端面）中心作為對(duì)刀點(diǎn)，將該點(diǎn)坐標(biāo)作為機(jī)床G54輸入值.

圖3 投影矢量設(shè)定

圖4 刀軸設(shè)定

圖5 仿真機(jī)床模型結(jié)構(gòu)樹

5）利用VERICUT軟件進(jìn)行機(jī)臺(tái)碰撞檢查.多軸機(jī)床需根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)、參數(shù)及對(duì)刀數(shù)據(jù)定制后處理程序，定制完成后可直接調(diào)用輸出NC代碼.

輸出的NC代碼需要經(jīng)過VERICUT軟件仿真驗(yàn)證，才可以放心在多軸機(jī)床上使用.本例在VERICUT軟件中的仿真切削過程如圖7所示，仿真切削過程中未發(fā)現(xiàn)任何碰撞.

圖6 粗加工刀路軌跡

圖7 機(jī)床運(yùn)動(dòng)部分仿真

圖8 真機(jī)實(shí)切

6）真機(jī)實(shí)切.將檢查過的NC程序送入真機(jī)進(jìn)行切削，真機(jī)實(shí)切結(jié)果如圖8所示.

5 教學(xué)結(jié)果

通過精選教學(xué)內(nèi)容、合理設(shè)計(jì)教學(xué)情境，學(xué)生自己動(dòng)手裝夾找正工件、建立工件坐標(biāo)系、對(duì)刀、編程、后處理輸出NC代碼、仿真碰撞檢查、真機(jī)實(shí)切等過程，使學(xué)生理解了多軸銑加工的編程特點(diǎn)，掌握了多軸銑加工編程的方法.

[1] 周濟(jì)，周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[2] 肖善華，唐書林，袁永富，等.MasterCAM五軸后置處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓，2012，40（16）：67-71.

[3] Jisensen. Power mill 高速多軸加工技術(shù)[C]//Delcam 2008年年會(huì)論文集，2008：108.

Research and Practice on Teaching of “Multi-axis Milling Programming”

KUANG Hebi

（College of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

This paper not only describes the concept of multi-axis machine, type and structure, but also sums up the multi-axis machining features and applications. It introduces the teaching situation design for "Multi-axis Milling Programming". The programming method based on multi-axis milling UGNX and cutting is simulated using VERICUT software. Finally, the cutting result of the real machine is also given.

Multi-axis Machining Programming; teaching situation design; UGNX; VERICUT

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.01.008

TG659；G642

A

1672-0318（2016）01-0036-04

2015-10-10

匡和碧（1965-），湖南耒陽(yáng)人，數(shù)控銑高級(jí)技師，副教授.主要從事模具設(shè)計(jì)及數(shù)控加工教學(xué)及科研工作.