呂煒帥，李慧敏

1．天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院 天津 300350

2．天津賽象科技股份有限公司 天津 300384

1 序言

當(dāng)前，航空航天、模具制造以及船舶等領(lǐng)域?qū)α悴考募庸ぞ纫笤絹碓礁?，但是很多零件加工存在諸多困難，尤其是空間曲面的復(fù)雜零件。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)難加工零件高質(zhì)量生產(chǎn)的重要設(shè)備，數(shù)控機(jī)床的人性化、易操作性已成為衡量設(shè)備加工性能的重要基礎(chǔ)，這就對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能參數(shù)，如系統(tǒng)的運(yùn)行速度、高速高精、多軸功能、高表面質(zhì)量特性、系統(tǒng)可維護(hù)性及人機(jī)操作界面友好性等提出了更高的要求。此外，由于五軸數(shù)控機(jī)床加工精度與刀具表的參數(shù)設(shè)定具有密切聯(lián)系，合理準(zhǔn)確設(shè)定刀具補(bǔ)償參數(shù)對(duì)于降低生產(chǎn)成本，控制機(jī)床加工精度具有重要意義，因此數(shù)控仿真軟件及加工試驗(yàn)的驗(yàn)證應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中也就具有重要意義。

2 五軸聯(lián)動(dòng)多軸加工與海德漢系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造正走向智能化，同時(shí)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品制造中關(guān)鍵部件的材質(zhì)、表面質(zhì)量以及加工精度等生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高。近年來，數(shù)控技術(shù)正以集成化、高效化和精益化的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)制造領(lǐng)域的發(fā)展，其中五軸數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)多技術(shù)與設(shè)備的整合，大幅縮短制造流程，提升生產(chǎn)效率，有效地解決產(chǎn)品研發(fā)周期長、設(shè)計(jì)精度低的難題，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品高效率、高精度加工的需求。

2.1 五軸數(shù)控加工的特點(diǎn)

1）通過3個(gè)線性軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸完成加工工作。

2）解決了傳統(tǒng)三軸加工無法加工到位或加工時(shí)刀具裝夾時(shí)間過長的難題。

3）提高了自由曲面的加工精度、質(zhì)量和效率等技術(shù)指標(biāo)。

4）五軸加工一種為定位五軸，另一種為五軸聯(lián)動(dòng)。定位五軸表現(xiàn)為刀軸矢量可改變，刀具固定后沿著整個(gè)切削路徑的過程保持不變，由X、Y及Z路徑控制軸控制A（B）、C旋轉(zhuǎn)軸得以實(shí)現(xiàn)。五軸聯(lián)動(dòng)表現(xiàn)為整個(gè)切削路徑過程的刀軸矢量可以根據(jù)要求改變，由X、Y、Z路徑控制軸控制A（B）、C旋轉(zhuǎn)軸來實(shí)現(xiàn)。

2.2 五軸數(shù)控加工的優(yōu)點(diǎn)

1）可減少裝夾次數(shù)及裝夾誤差，提高加工精度。對(duì)于斜頂、滑塊以及復(fù)雜零件可實(shí)現(xiàn)通過一次裝夾完成傳統(tǒng)三軸加工多次裝夾工藝。

2）降低刀具參數(shù)要求，提高表面加工質(zhì)量與加工效率。如對(duì)于陡峭側(cè)面可使用更短的刀具伸長加工，能夠降低偏差和成本，有效延長刀具的使用壽命。

3）可高效地實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量零件表面加工。如加工時(shí)刀具側(cè)刃與平刀底面也可得到充分利用；加工直紋面或斜平面時(shí)，有助于提高加工效率與質(zhì)量，減少手工拋光。

4）優(yōu)化零件生產(chǎn)工藝，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。如將五軸加工與高速加工結(jié)合，可改變模具的零部件和制造工藝，降低對(duì)傳統(tǒng)放電加工的依賴，減少其他加工設(shè)備的使用，大大地縮短模具制造周期。

五軸數(shù)控加工有效地簡化了制造流程，縮短了加工時(shí)間和交貨期，提高了機(jī)床利用率。

2.3 海德漢控制系統(tǒng)

海德漢控制系統(tǒng)具有面向車間編程的特點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)合理表單、直接圖形化支持和易用模式生成工具使其成為強(qiáng)大的編程環(huán)境。通過設(shè)計(jì)合理與用戶友好的界面，以及連續(xù)的兼容性，廣泛應(yīng)用在銑、鉆、鏜和加工中心的多功能輪廓加工。憑借簡易的編程操作、智能化功能及友好人機(jī)界面適應(yīng)各種類型機(jī)床，實(shí)現(xiàn)高速高精加工。

3 定位五軸機(jī)床坐標(biāo)變換及其應(yīng)用

定位五軸機(jī)床通過2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸先將切削刀具固定在一個(gè)傾斜位置，再由路徑控制軸X、Y及Z進(jìn)行加工。通過 3+2 軸機(jī)床加工（例如回轉(zhuǎn)頭或回轉(zhuǎn)臺(tái)）定義空間中的旋轉(zhuǎn)工作平面。在此工作平面，可以編程 2D 或 3D 加工操作。這種加工方式中回轉(zhuǎn)軸總是旋轉(zhuǎn)到加工平面垂直于刀具軸的位置進(jìn)行加工，加工期間加工平面保持固定。TNC（海德漢數(shù)控系統(tǒng)）提供的坐標(biāo)變換循環(huán)是原點(diǎn)平移（在程序內(nèi)或用原點(diǎn)表控制平移輪廓）、原點(diǎn)設(shè)置（程序運(yùn)行時(shí)設(shè)置原點(diǎn)）、鏡像（鏡像輪廓）、旋轉(zhuǎn)（加工面內(nèi)旋轉(zhuǎn)輪廓）、縮放系數(shù)（放電或縮小輪廓尺寸）、特定軸的縮放系數(shù)（用于放大或縮小各軸輪廓尺寸的縮放系數(shù)）、加工面（用于傾斜主軸頭或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在傾斜坐標(biāo)系中加工）。加工四斜面零件（見圖1），可通過原點(diǎn)平移與加工面坐標(biāo)變換循環(huán)指令實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換。

圖1 四斜面零件

4 刀具半徑補(bǔ)償在數(shù)控銑削加工中的應(yīng)用

在數(shù)控銑削加工中，刀具半徑補(bǔ)償和刀具長度補(bǔ)償?shù)撵`活應(yīng)用，對(duì)零件質(zhì)量和加工效率有非常大的影響。實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于刀具存在磨損、重磨及更換刀具等工況，所以為提升生產(chǎn)效率，通常采用固定的加工程序，通過更改刀具表中參數(shù)來調(diào)整刀具中心與工件輪廓偏置值來解決粗、精加工問題。通過軟件自動(dòng)編程進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，先通過三坐標(biāo)測(cè)量儀測(cè)出刀具實(shí)際半徑值R′，再進(jìn)行粗加工，預(yù)留精加工余量。精加工時(shí)，將R′輸入刀具表中刀具的半徑補(bǔ)償值進(jìn)行精加工。當(dāng)不確定刀具半徑且不方便對(duì)刀具半徑進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，編程人員通常采用假定刀具尺寸來進(jìn)行編程。精加工時(shí)，采用實(shí)際刀具半徑代替假設(shè)刀具半徑的方法對(duì)刀具半徑進(jìn)行補(bǔ)償，以圖1中銑四周槽（48±0.02）mm尺寸為例，加工時(shí)其補(bǔ)償方法如下。

對(duì)零件外輪廓加工（見圖2），其中χ為假定刀具半徑值（mm）；δ為單邊加工余量（mm）；b為理論刀具半徑（mm），a和c都為實(shí)際刀具半徑（mm）；A為實(shí)際測(cè)量值48.1 mm；B為理想加工情況48.2 mm；C為實(shí)際測(cè)量值48.3 mm；L為刀軌中心線。選用刀具為φ10mm銑刀，假定刀具半徑χ為5.1mm（實(shí)際刀具半徑偏差≤0.1mm，為便于計(jì)算χ取5.1mm），故加工圖1中四周槽，先輸入刀具半徑為5.1mm進(jìn)行粗加工，然后測(cè)量加工尺寸，如果實(shí)際測(cè)量值為48.1mm或48.3mm，推算出加工余量和實(shí)際刀具半徑（補(bǔ)償后的刀具半徑），并將實(shí)際刀具對(duì)應(yīng)半徑值5.05mm或4.95mm輸入到機(jī)床刀具參數(shù)表中進(jìn)行精加工。上述情況計(jì)算適應(yīng)于公差對(duì)稱尺寸形式的外端面加工，如尺寸（48±0.02）mm。

圖2 刀具半徑補(bǔ)償外輪廓加工（一）

對(duì)零件內(nèi)輪廓加工（見圖3），其中χ為假定刀具半徑值（mm）；δ為單邊加工余量（mm）；e為理論刀具半徑（mm），d和f都為實(shí)際刀具半徑（mm）；D為實(shí)際測(cè)量值47.7mm；E為理想加工情況值47.8 mm；F為實(shí)際測(cè)量值47.9 mm；L為刀軌中心線。選用刀具為φ10mm銑刀，假定刀具半徑χ為5.1mm（實(shí)際刀具半徑偏差≤0.1mm，為便于計(jì)算取5.1mm），故對(duì)于加工48mm×48mm內(nèi)孔槽時(shí)，先輸入刀具半徑為5.1mm進(jìn)行粗加工，然后進(jìn)行測(cè)量，如果實(shí)際測(cè)量值為47.7mm或47.9mm，推算出加工余量和實(shí)際刀具半徑（補(bǔ)償后的刀具半徑），并將實(shí)際刀具對(duì)應(yīng)半徑值4.95mm或5.05mm輸入到機(jī)床刀具表中進(jìn)行精加工。上述情況計(jì)算適應(yīng)于公差對(duì)稱尺寸內(nèi)孔類加工，如尺寸（48±0.02）mm。

圖3 刀具半徑補(bǔ)償內(nèi)輪廓加工（一）

圖4 刀具半徑補(bǔ)償外輪廓加工（二）

圖5 刀具半徑補(bǔ)償內(nèi)輪廓加工（二）

5 典型零件銑削加工

以圖1零件為例描述海德漢程序編輯過程。海德漢數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床在零件平面銑削中可通過多種循環(huán)指令實(shí)現(xiàn)，此處采用矩形型腔銑削循環(huán)。為保證銑削完成后新零件表面為Z軸坐標(biāo)零平面，可將循環(huán)中銑削深度與工件表面坐標(biāo)設(shè)置相同數(shù)值，以便于后續(xù)加工計(jì)算。此處工件表面坐標(biāo)設(shè)置為+2mm。

在零件四周銑削過程中，利用前序刀具半徑補(bǔ)償分析方法，分別進(jìn)行粗、精加工。首先選用φ10mm銑刀進(jìn)行粗加工，刀具半徑在系統(tǒng)刀具表中設(shè)定為R=5.1mm，粗加工完成后進(jìn)行測(cè)量，然后結(jié)合圖2分析方法調(diào)整刀具補(bǔ)償半徑進(jìn)行精加工。另外，深度值通?？扇≈胁钪担ü畹钠骄担┹斎?，粗加工測(cè)量后若存在偏差，可通過刀具表中刀具長度偏置調(diào)整。

銑削零件中心孔16m m×16m m，按圖3刀具半徑分析方法進(jìn)行粗、精加工，深度中差值取5.025mm進(jìn)行粗加工，測(cè)量后通過刀具長度偏置調(diào)整后進(jìn)行精加工。

加工零件中4個(gè)斜平面，首先需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（見圖6）。同時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)換新坐標(biāo)環(huán)境后，銑削深度H在編程中的要求。

圖6 斜平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

零件斜面的銑削可通過將C軸旋轉(zhuǎn)一定角度實(shí)現(xiàn)4個(gè)平面的加工（見圖7）。同時(shí)對(duì)于斜平面銑削過程中應(yīng)注意坐標(biāo)零點(diǎn)位置。圖7中H的計(jì)算見式（1）。

式中，H為銑削深度（mm）；α為斜面角度（°）；L2為四斜面加工件四周尺寸（mm）；OM為斜平面傾斜點(diǎn)與零件中心間距（mm）。

由式（1）得H=3.88mm。為保證銑削要求，設(shè)置銑削深度值為－4mm，設(shè)置偏角值為9°。對(duì)于另2個(gè)斜面需要通過調(diào)整工件表面坐標(biāo)中，C軸旋轉(zhuǎn)180°來控制銑削深度值。

圖7 斜平面銑削

加工零件鍵槽，鍵槽寬度尺寸8.5+0.04+0mm，編程時(shí)粗加工寬度可直接寫入8.52mm，選用φ6mm銑刀，利用圖5刀具半徑補(bǔ)償內(nèi)輪廓加工案例分析方法進(jìn)行零件鍵槽粗加工，最后通過刀具半徑補(bǔ)償進(jìn)行精加工。

圖8 零件凸臺(tái)

銑削零件凸臺(tái)（見圖8），調(diào)用圓弧凸臺(tái)循環(huán)指令進(jìn)行加工，并利用圖4刀具半徑補(bǔ)償外輪廓加工（二）分析方法進(jìn)行粗、精加工。同時(shí)應(yīng)注重銑削深度和工件表面坐標(biāo)的正確輸入。在斜面的加工過程中，為避免坐標(biāo)變換影響后面程序的應(yīng)用，可在每一工序程序后面增加機(jī)床坐標(biāo)及各轉(zhuǎn)軸回零指令。

加工零件2×φ7.8mm孔，可使用φ7.8mm鉆頭并調(diào)用鉆孔循環(huán)指令，同時(shí)應(yīng)注意銑削深度（設(shè)置為－11.25mm）、工件坐標(biāo)系關(guān)系及數(shù)值準(zhǔn)確性。四斜面零件加工成品如圖9所示。

圖9 四斜面零件

6 結(jié)束語

1）五軸數(shù)控加工利用自身優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)可有效地簡化制造流程，縮短了加工時(shí)間和交貨期，提高了機(jī)床利用率。

2）刀具半徑補(bǔ)償分析方法有助于靈活計(jì)算并改變補(bǔ)償值，便于在不改變程序的情況下進(jìn)行粗、精加工，有效提高加工精度和編程效率，為數(shù)控機(jī)床的實(shí)際應(yīng)用增加便捷性。