S形檢測試件五軸聯(lián)動數(shù)控加工方法研究

杜 麗 張 信，2 趙爽宇 李俊杰

1.電子科技大學(xué)，成都，611731

2.中國電子科技集團公司第三十研究所，成都，610041

0 引言

五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)由于其加工靈活、材料去除率高、少裝夾等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于葉輪葉片及螺旋槳等復(fù)雜曲面的加工中。相對于三軸機床，五軸聯(lián)動數(shù)控機床的刀具有任意可達(dá)性，在復(fù)雜曲面加工時，具有更高的加工效率與加工質(zhì)量。但是，受旋轉(zhuǎn)軸運動的影響，五軸機床各軸在插補運動時會產(chǎn)生非線性誤差，為保證加工精度，編程難度大［1］。此外，旋轉(zhuǎn)軸的引入會引起刀軸矢量的突變，在高速加工時會造成刀具破損甚至是工件報廢［2－3］。因此，五軸聯(lián)動加工一直是機械加工行業(yè)的難點。

S形檢測試件多用于綜合評價五軸機床多軸聯(lián)動精度、伺服系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能及機床動態(tài)剛度等性能［4］。目前，國內(nèi)外涉及S形件的文獻(xiàn)較少。謝東等［5］指出，多軸數(shù)控機床轉(zhuǎn)動軸進給系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)精度是影響S形件加工精度的主要因素；丁杰雄等［6］研究了S形件型面誤差處理、分析和顯示技術(shù)；崔浪浪［7］分析了進給伺服系統(tǒng)參數(shù)對S形件輪廓誤差的影響；杜麗等［8］提出了基于S形件的數(shù)控機床動態(tài)精度影響因素辨識方法。整體而言，研究的范圍主要集中在S形件誤差分析上，對S形件的加工方法及工藝研究，目前尚未檢索到國內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)。因此，本文詳細(xì)介紹S形檢測試件的定義、建模步驟及多種加工方法，并對比研究各種編程方法產(chǎn)生的理論誤差，為機床制造商及用戶提供技術(shù)參考。

1 S形件模型

S形檢測試件在五軸聯(lián)動數(shù)控機床精度檢測上應(yīng)用前景廣闊。機床制造商在機床裝配驗收前、機床用戶在購買機床時都有S形件的試加工應(yīng)用。在大型貴重零件加工前，通過先加工S形件可以有效暴露機床缺陷，避免報廢零件的產(chǎn)生。作為檢驗多軸聯(lián)動機床整機綜合性能的有效試件，S形件得到了行業(yè)的認(rèn)可。

1.1 模型尺寸

S形檢測試件由一個S形的等厚緣條和一個矩形基座組合而成。其中，矩形基座上有4個用于裝夾的階梯孔，2個用于安裝定位及測量基準(zhǔn)的定位孔，基本尺寸如圖1所示。設(shè)矩形基座的上表面為Z＝0mm平面，以矩形基準(zhǔn)左邊的定位孔φ16H9為中心建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系。矩形基座高30mm，4個階梯孔位于四角。S形等厚緣條位于矩形基座上，厚3mm，與矩形基座不垂直。

圖1 S形試件尺寸

1.2 建模步驟

S形試件建模較為復(fù)雜，其具體步驟大致如下：首先進入三維建模環(huán)境，輸入2組共計100個數(shù)據(jù)點（50個點位于Z＝0mm平面，50個點位于Z＝40mm平面）。通過2個平面的點集分別創(chuàng)建上下2條三階樣條曲線，如圖1所示。以上下2條三階樣條曲線為導(dǎo)線，采用直線掃略指令，構(gòu)造直紋面。將直紋面朝X軸正方向增厚3mm，即可得到S形等厚緣條。最后，新建并拉伸草圖創(chuàng)建矩形基座，用布爾求差指令創(chuàng)建用于裝夾的階梯孔和用于測量的基準(zhǔn)定位孔。依據(jù)以上建模步驟，可得S形檢測試件的三維CAD模型。

2 S形件數(shù)控編程

由S形件三維模型可知，緣條與基座不垂直，為非直壁零件，因此采用傳統(tǒng)的三軸編程方法無法加工。本節(jié)將制定S形件加工工藝卡片，基于UG NX的CAM加工環(huán)境，采用多軸銑削編程加工方法，生成S形件加工刀路軌跡前置指令。并構(gòu)造AB雙擺頭型五軸后置處理器，導(dǎo)入前置指令進行后處理得到S形件數(shù)控加工后置G代碼。

2.1 加工工藝分析

材料成分是被加工零件的基本特性，決定了零件加工方法及切削參數(shù)的選擇。S形件所用材料為鋁合金7175－T7451。S形件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中緣條厚3mm，屬于薄壁件。此外，緣條與矩形基座不垂直，屬于非直壁類零件。

依據(jù)S形件材料及結(jié)構(gòu)特性制定數(shù)控加工工序卡片。S形件的加工大致可分成4大工序：毛坯粗加工（銑基準(zhǔn)面、制壓緊孔）；S緣條粗加工；S緣條精加工；基準(zhǔn)孔加工。S形件加工基本流程如圖2所示。

圖2 S形件加工基本流程

2.2 刀路軌跡規(guī)劃

本文針對S形件的加工流程，制定了S形件數(shù)控加工工序卡片，如表1所示。

表1 S形件數(shù)控加工工序卡

根據(jù)UG CAM編程流程，首先打開S形檢測試件三維模型，進入UG加工編程環(huán)境。根據(jù)S形件加工工序卡，開始毛坯的加載和設(shè)置。

工序1和工序2用來加工沉頭孔。在“加工環(huán)境”對話框中選擇drill，進入鉆削加工環(huán)境。創(chuàng)建3把刀具：刀具T1——中心鉆（SPOTDRILLING＿TOOL），直徑20mm，長65mm，主要用于打定 位 孔；刀 具 T2——鉆 刀 （DRILLING＿TOOL），直徑20mm，長65mm，主要用于鉆φ20的通孔；刀具T3——锪刀（COUNTERBORING＿TOOL），直徑32mm，長50mm，主要用于加工φ32的沉頭孔。然后創(chuàng)建工序，即先鉆中心孔，再鉆通孔，最后锪沉頭孔，完成加工。

工序3是創(chuàng)建型腔銑程序，具體為：新建1把直徑32mm、圓角半徑3mm的立銑刀；創(chuàng)建部件、毛坯、檢查等幾何體；設(shè)置刀軌，選擇切削模式為“跟隨周邊”；設(shè)置切削參數(shù)，底面余量為0.5mm，側(cè)壁余量為2mm；設(shè)置進給率和速度；設(shè)置加工方法，點擊生成刀軌控件。

工序4為S型面精加工工序。緣條質(zhì)量是加工的重點，本文提出多種編程加工方法對S形緣條進行精加工。

（1）方法1：多軸順序銑。點擊“創(chuàng)建工序”，選擇多軸銑子操作順序銑，進入順序銑編程環(huán)境；創(chuàng)建直徑20mm立銑刀；設(shè)置加工安全平面；在“進刀運動”對話框中設(shè)置進刀方法、參考點、幾何體；在“連續(xù)刀軌運動”中設(shè)置檢查曲面、驅(qū)動曲面、部件表面；完成退刀。加工刀具路徑軌跡如圖3a所示。

（2）方法2：多軸外形輪廓銑。選擇多軸銑子操作外形輪廓銑，進入編程環(huán)境；幾何體、刀具等設(shè)置同方法1；選擇矩形基座上表面為底面，緣條曲面為壁；驅(qū)動方法為“外形輪廓銑”；刀軸設(shè)置為自動；加工方法選擇精加工。加工刀具路徑軌跡如圖3b所示。

（3）方法3：多軸分層外形輪廓銑。在方法2的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置8個輔助底面，對緣條進行分層加工，其他設(shè)置同方法2。加工刀具路徑軌跡如圖3c所示。

（4）方法4：多軸分層可變輪廓銑。選擇多軸銑子操作可變輪廓銑；選擇S形件緣條表面為驅(qū)動曲面，切削模式為“單相”，步距數(shù)為6；投影矢量選擇“朝向驅(qū)動體”，刀軸選擇“側(cè)刃驅(qū)動體”；幾何體及刀具等其他設(shè)置同方法1。加工刀具路徑軌跡如圖3d所示。

圖3 精加工多軸銑刀路軌跡

工序5和工序6用來精加工測量基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)孔，為S形件輪廓誤差的測量做準(zhǔn)備。點擊“創(chuàng)建工序”，選擇鉆孔加工子操作標(biāo)準(zhǔn)鉆孔，進入孔加工環(huán)境；創(chuàng)建直徑16mm鉆刀；選擇待加工基準(zhǔn)孔；設(shè)置最小安全距離80mm；循環(huán)類型為“標(biāo)準(zhǔn)鉆”，即可實現(xiàn)該道工序。

2.3 五軸后處理

刀位軌跡文件又稱通用前置指令，數(shù)控系統(tǒng)無法識別，不能直接傳輸?shù)綌?shù)控機床進行加工。機床的物理結(jié)構(gòu)和機床內(nèi)部的數(shù)控系統(tǒng)，都會因機床不同而不同。因此，必須將通用前置處理計算所得到的刀位軌跡文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某一特定機床能識別的程序代碼，這一過程稱為后置處理。

為構(gòu)造專用后置處理器，將UG/Post Builer作為開發(fā)工具。通過選擇機床類型，設(shè)置機床各運動軸行程等參數(shù)，構(gòu)建后處理器。將刀路文件導(dǎo)入后處理器，得到S形試件后置指令。

3 虛擬加工仿真

虛擬制造技術(shù)是指在計算機虛擬環(huán)境下，模擬產(chǎn)品和制造設(shè)備的現(xiàn)實運動環(huán)境，在實時和經(jīng)驗數(shù)據(jù)的支撐下，進行產(chǎn)品生產(chǎn)完整生命周期的一體化模擬仿真過程［9］。

VERICUT是一款專用數(shù)控加工仿真軟件，其采用先進的三維顯示和虛擬制造技術(shù)，既能模擬虛擬機床的運動過程及工廠環(huán)境，又能檢查NC后置處理程序的準(zhǔn)確性。將2.3節(jié)生成的后置指令導(dǎo)入VERICUT環(huán)境中進行加工仿真，驗證后置G代碼的準(zhǔn)確性并對比分析數(shù)控加工理論誤差。

3.1 仿真平臺搭建

根據(jù)實際機床各軸間的相互運動關(guān)系及相關(guān)參數(shù)，在VERICUT環(huán)境中建立機床模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在UG中構(gòu)建機床CAD三維模型，以X/Y/Z/A/B軸、床身、主軸等組件為單位逐個導(dǎo)出模型組塊，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系再導(dǎo)入VERICUT環(huán)境中，調(diào)整各組件位置參數(shù)，裝配成AB雙擺頭五軸聯(lián)動數(shù)控機床模型，如圖4所示。機床建成后，還需初始化設(shè)置，如機床干涉檢查、機床初始化位置、機床行程等。最后加載機床控制系統(tǒng)，本文選用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)。

3.2 NC后置程序驗證

要實現(xiàn)動態(tài)加工仿真，首先在“項目樹”對話框中，選擇節(jié)點“坐標(biāo)系統(tǒng)”，添加新的坐標(biāo)系；然后是添加毛坯模型，單擊“Stock（0，0，0）”，新建毛坯400mm×200mm×70mm矩形塊；單擊“Design（0，0，0）”，添加S形試件三維模型；選擇“加工刀具”，右鍵進入“刀具管理器”對話框，選擇“添加”→“刀具”→“新”→“銑削”命令，新建表1所示的6把刀具；選擇單擊“數(shù)控程序”，加載2.3節(jié)S形件NC后置程序；在“項目上樹”對話框中選擇“工位：1”，單擊“G－代碼”選項卡按鈕，進入“徑向刀具補償”列表框設(shè)置刀具半徑補償；最后單擊“G－代碼偏置”，定義加工坐標(biāo)系。

圖4 虛擬機床模型

在完成以上所有設(shè)置后，保存該項目。單擊VERICUT系統(tǒng)主窗口右下角“啟動加工仿真”按鈕，開始數(shù)控加工動態(tài)仿真，虛擬機床將依次實時顯示表1中6道工序的虛擬加工過程，S形件緣條精加工過程中某一時刻的截屏如圖5所示。

圖5 動態(tài)加工仿真截屏

3.3 加工理論誤差對比分析

由3.2節(jié)加工仿真結(jié)果可知，S形件無欠切和過切現(xiàn)象。此外，整個加工仿真過程中，機床刀具與工件、夾具均無碰撞、干涉情況的發(fā)生，因此，驗證了S形件編程方法、五軸后置處理以及所搭建仿真平臺的準(zhǔn)確性。

本節(jié)將基于上述仿真平臺，對比分析2.2節(jié)中4種編程方法下S形件的加工理論誤差。依次將4種編程方法下的S形件后置指令導(dǎo)入到3.1節(jié)仿真平臺。仿真加工結(jié)束后，利用軟件自帶的曲面加工誤差測量模塊，對4種編程方法下的S形件型面加工誤差進行測量，測量的公差為0.05mm。

4種編程方法下的S形件型面加工誤差結(jié)果如圖6所示，圖中矩形框內(nèi)為誤差值＋0.05mm的欠切區(qū)域，圓形框內(nèi)為誤差值－0.05mm過切區(qū)域。對比可知，圖6a中，S形件型面內(nèi)的矩形框、圓形框數(shù)量最多、面積最大即誤差最大，證明了4種精加工編程方法中，順序銑的編程加工理論誤差最大，存在多處欠切和過切區(qū)域；圖6c采用分層外形輪廓銑，加工質(zhì)量最好，基本無加工理論誤差；圖6c、圖6d的矩形框和圓形框區(qū)域遠(yuǎn)小于圖6a、圖6b，證明了分層加工方法的加工精度明顯優(yōu)于單層加工。

圖6 編程誤差顯示

4 切削試驗

3.3節(jié)對比分析了4種編程方法下S形件的加工精度，證明了采用分層外形輪廓銑的編程加工方法的S形件加工精度較高。因此，本節(jié)將采用該編程方法下的S形件后置數(shù)控程序?qū)胛遢S數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)進行實物加工。機床為中捷AB雙擺頭五軸聯(lián)動數(shù)控機床。毛胚材料為航空鋁合金7075－T7451。加工所得S形檢測試件如圖7所示，其緣條型面光滑，表面質(zhì)量較好，無明顯接刀痕及過切、欠切現(xiàn)象，驗證了該編程方法的準(zhǔn)確性。

圖7 S形件

加工完成后，在S形件緣條10mm、22.5 mm、30mm高度方向分別取3條截取線，每條線上等距離選取25個測量點，利用三坐標(biāo)測量機測得3條線上共75個點的空間坐標(biāo)。對比理論模型空間坐標(biāo)，計算出S形件在75個測量點處的加工法向誤差，如圖8所示。

采用型面誤差可視化技術(shù)，將75個測量點處的法向誤差直接刻畫在S形件型面上，如圖9所示。以不同灰度區(qū)分誤差的正負(fù)、大小，越亮表示正誤差越大，反之負(fù)誤差越大。由圖9可知，S形件加工的法向誤差基本控制在50μm以內(nèi)，滿足加工精度要求。

圖8 S形件型面加工誤差

圖9 S形件加工誤差灰度顯示

5 結(jié)語

基于機床制造商及用戶的需求，本文詳細(xì)介紹了S形檢測試件的提出背景、模型尺寸及建模步驟。針對S形件展開加工工藝規(guī)劃，制定工藝卡片。在UG NX加工環(huán)境下數(shù)控編程得到S形件刀路軌跡文件，并構(gòu)造五軸聯(lián)動數(shù)控機床后置處理器，進而獲得了S形件數(shù)控程序G代碼。基于VERICUT軟件，搭建了數(shù)控程序虛擬加工仿真通用平臺，實現(xiàn)了S形件的虛擬加工。提出并對比分析了多種編程方法下S形件的加工理論誤差。最后在某立式五軸加工中心上進行了S形件切削加工試驗，驗證了該編程方法、數(shù)控程序及虛擬加工平臺的準(zhǔn)確性。

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