劉凱， 王成陽

(1.三江學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南京210012；2. 鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

0 引 言

近年來，五軸加工技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在汽車、模具、航空航天、精密機(jī)械產(chǎn)品等復(fù)雜曲面加工領(lǐng)域，五軸加工具有更優(yōu)良的加工質(zhì)量[1-3]。與傳統(tǒng)三軸加工相比，五軸加工可以實(shí)現(xiàn)加工刀具在5個自由度上進(jìn)行定位和連接，但自由度的增加必然提高編程的難度[4-5]。本文是以元寶工藝品的加工為例來探索五軸機(jī)床在復(fù)雜曲面零件制造中的實(shí)際運(yùn)用。

1 目標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)特征及建模

元寶工藝品的部分尺寸如圖1所示，主要分為元寶和底座兩部分。元寶為復(fù)雜的曲面零件，底座為規(guī)則的回轉(zhuǎn)體。建模時，兩部分采用不同的建模方法，元寶通過截面的曲線組創(chuàng)建，底座通過旋轉(zhuǎn)創(chuàng)建。最后將兩部分合并成單個體，三維模型結(jié)果如圖2所示。

2 加工刀路設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

圖1 元寶二維圖

該零件整體為典型的“工”字型零件，如果采用通常的刀軸與Z軸平行的方式加工，將會殘余大量的材料。故該類零件通常采用刀軸與“工”字面垂直的方式加工，可以最大量地去除材料。為減少刀具的懸伸量，并且該零件關(guān)于X-Z平面對稱，故采用對稱式加工。

由于元寶的曲面連續(xù)光滑，因此可以直接作為驅(qū)動面使用。為避免產(chǎn)生接刀痕，元寶上表面和側(cè)面的精加工采用一條刀路的五軸聯(lián)動加工。由于元寶上表面為“環(huán)形孤島”型，編程時需要考慮刀柄與工件的干涉，元寶側(cè)面為“倒梯形”，編程時要考慮機(jī)床第四軸的行程。

圖2 元寶三維模型

圖3 圓鼻刀

2.1 加工準(zhǔn)備

使用UGNX進(jìn)行刀具軌跡的生成和仿真加工前，必須完成刀具的建立和工件指定。針對本零件所做的設(shè)置如下：

1）創(chuàng)建符合加工需要的刀具。綜合考慮零件中的最小寬度（經(jīng)測量為16 mm）、干涉、刀柄類型和現(xiàn)有庫存刀具等因素，創(chuàng)建一把直徑為12 mm，圓角為1.5 mm的圓鼻刀（如圖3所示）和一把球直徑為3 mm、錐角為6°的錐柄球頭刀（如圖4所示）。

2）指定加工對象和毛坯。通過特征樹編輯直接指定坐標(biāo)系、加工部件和毛坯。加工部件選擇整個實(shí)體，毛坯通過包容圓柱體創(chuàng)建直徑85 mm、長度76 mm的圓柱體。該零件粗加工采用五軸定向加工，半精加工和精加工采用五軸聯(lián)動加工，因此在創(chuàng)建坐標(biāo)系時需要建立主坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，以方便編程和操作。其中主坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)為毛坯的上表面圓心，X、Y、Z軸與建模坐標(biāo)系相同，選擇主坐標(biāo)系為G56，局部坐標(biāo)系需要根據(jù)具體加工方向在后面設(shè)定。

3）選擇合適的加工方法。該零件的粗加工采用型腔銑（CAVITY_MILL），快速切除多余的毛坯。半精加工的目的是把粗加工殘留的加工面加工平滑，在工件加工面上留下比較均勻的加工余量，為精加工的高速切削提供最佳的加工條件，因此，半精加工可以采取與精加工一樣的加工方法，只需設(shè)置不同的加工精度、加工余量等。半精加工和精加工都采用可變輪廓銑（VARIABLE_CONTOUR），用于對切削區(qū)域進(jìn)行輪廓銑的可變軸曲面輪廓銑。

圖4 錐柄球頭刀

2.2 軌跡的生成及加工仿真

1）粗加工的參數(shù)設(shè)置及仿真?？紤]到加工方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，建立坐標(biāo)原點(diǎn)為毛坯的上表面圓心，X軸與圓柱體毛坯軸線平行，正方向與建模坐標(biāo)系的Z軸正方向相反，Y軸與建模坐標(biāo)系X軸線平行，并且正方向相同的局部坐標(biāo)系。

粗加工采用型腔銑，要能夠合理地生成加工軌跡，需要調(diào)整部分參數(shù)，如表1所示。最終得到的軌跡和仿真效果如圖5所示。

表1 粗加工參數(shù)設(shè)置表

2)半精加工的參數(shù)設(shè)置及仿真。元寶上表面和側(cè)面采用五軸可變輪廓銑。五軸可變輪廓銑中需要調(diào)整的部分參數(shù)如表2所示。最終得到的軌跡和仿真效果如圖6所示。

3)精加工的參數(shù)設(shè)置及仿真。元寶精加工與半精加工的方法一樣，只需重復(fù)半精加工的操作，然后對加工精度、加工余量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等作出修改。需要調(diào)整的部分參數(shù)如表3所示。最終得到的軌跡和仿真效果如圖7所示。

3 G代碼生成及校核

在利用UG軟件創(chuàng)建操作，并生成刀具加工軌跡后，需要根據(jù)機(jī)床機(jī)構(gòu)、操作系統(tǒng)信息等，把這些包含刀尖點(diǎn)數(shù)據(jù)的軌跡轉(zhuǎn)變成機(jī)床可以執(zhí)行的代碼，這個轉(zhuǎn)換過程叫后處理。針對不同形式的加工編程，需要和后處理協(xié)調(diào)工作，才能得到想要的結(jié)果，因此后處理一定要和機(jī)床操作相適應(yīng)[6]。

圖5 粗加工仿真效果圖

表2 五軸可變輪廓銑參數(shù)設(shè)置表

表3 五軸可變輪廓銑參數(shù)設(shè)置表

圖6 半精加工仿真效果圖

圖7 精加工仿真效果圖

為方便加工程序的查看和修改，將每個操作后處理為單獨(dú)的G代碼程序，程序名按操作順序分別命名為“Y1”、“Y2”、“Y3”等。

五軸加工中，由于工作臺或刀頭的旋轉(zhuǎn)與擺動，加工過程中容易發(fā)生主軸或刀頭、刀具跟工件、夾具、工作臺碰撞。為有效避免加工過程出現(xiàn)碰撞，需要進(jìn)行仿真切削。仿真切削使用VERICUT軟件[7]。

在仿真切削時，先建立元寶項(xiàng)目，接著指定工件裝置、添加刀具（如圖8、圖9所示），最后設(shè)置工具坐標(biāo)系，調(diào)入程序（如圖10所示）。

圖8 D12刀具圖

圖9 D6R1.5刀具圖

當(dāng)全部設(shè)置完成后即可進(jìn)行聯(lián)機(jī)仿真，如圖11所示。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)的模型相一致，而且仿真過程未出現(xiàn)干涉、報(bào)警等情況，因此程序是安全可靠的，可以上機(jī)加工。

圖10 添加數(shù)控程序

圖11 仿真結(jié)果

4 實(shí)際加工

由于在生成G 代碼程序時，各個操作是獨(dú)立的程序，而且仿真時沒有出現(xiàn)問題，因此可以將所有程序集中到一起，通過主程序來調(diào)用各個程序。這樣可以降低勞動強(qiáng)度，并且避免因操作失誤而出現(xiàn)問題。

4.1 新建主程序

主程序如下所示：

N10 G64 G90;

N20 WORKPIECE(,"",,"CYLINDER",0,0,-75,-80,85);建立模仿的毛坯

N30 EXTCALL "Y1.MPF";調(diào)用程序

N40 EXTCALL "Y2.MPF";

N50 EXTCALL "Y3.MPF";

N60 EXTCALL "Y4.MPF";

N70 EXTCALL "Y5.MPF";

N80 EXTCALL "Y6.MPF";

N90 EXTCALL "Y7.MPF";

N100 EXTCALL "Y8.MPF";

N110 EXTCALL "Y9.MPF";

N120 EXTCALL "Y10.MPF";

N130 CYCLE832(0,_OFF,1)；取消CYCLE832循環(huán)

N140 M30;

4.2 加工過程

加工過程如表4所示。

表4 加工過程

5 結(jié) 論

通過元寶零件的建模和加工，分析了復(fù)雜曲面零件的幾何特征，編制相應(yīng)的加工刀路，通過VERICUT等軟件仿真及實(shí)際加工，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的加工工藝的合理性，為類似零件的五軸數(shù)控加工提供了參考。