“多軸銑加工編程”課程教學探討與實踐

匡和碧

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

“多軸銑加工編程”課程教學探討與實踐

匡和碧

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

介紹了多軸機床的概念、類型和結構，總結了多軸加工特點及應用領域，設計了“多軸銑加工編程”課程教學情境，給出基于UGNX的多軸銑加工編程方法，使用VERICUT軟件進行了切削仿真驗證，最后給出了真機實切結果．

多軸銑加工編程；教學情境設計；UGNX；VERICUT

1 多軸機床概念、類型、結構及加工特點

1.1 多軸機床概念、類型、結構

我們熟悉的數控機床有XYZ 3個直線坐標軸，繞其旋轉的軸分別稱之為A軸、B軸、C軸，多軸是指在一臺機床上至少具備第4軸.

目前生產實際中應用最為廣泛的多軸機床可分為2大類，一類是五軸機床、一類是四軸機床.五軸機床的結構可劃分為3種，如圖1所示.

1）雙轉臺結構：刀軸方向不動，2個旋轉軸均在工作臺上；工件加工時隨工作臺旋轉，須考慮裝夾承重，能加工的工件尺寸比較小.

2）雙擺頭結構：工作臺不動，2個旋轉軸均在主軸上.機床能加工的工件尺寸比較大.

3）轉臺+擺頭結構：2個旋轉軸分別放在主軸和工作臺上，工作臺旋轉，可裝夾較大的工件；主軸擺動，改變刀軸方向靈活.

1.2 多軸加工的特點[1]

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

3）對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行加工，如圖2（c）所示.

圖1 五軸機床典型結構

圖2 多軸機床加工特點

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

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

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

2 多軸銑加工編程課程教學情境設計

多軸機床應用越來越廣泛，汽車、飛機、發電設備、家具制造等行業均已普遍使用多軸機床[3].根據被加工零件的特征可將多軸機床的應用領域分為三大類：多面體加工、多軸定位加工、多軸輪廓加工.根據CIM（中國機床信息網）調查數據，多軸加工中5面體加工占市場份額22%，3+2軸定位加工占市場份額73%，5軸輪廓加工占市場份額5%.

根據CIM調查結果，結合我校多軸銑加工編程課程教學實踐，我們設計了基于UGNX軟件進行多軸銑加工編程的教學情境，如表1所示.

表1 多軸銑加工編程課程教學情境設計表

3 多軸與三軸銑加工編程的主要區別

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→建立工件坐標系→加工.

五軸加工：建模→生成軌跡→裝夾零件→找正→建立工件坐標系→根據原點坐標生成代碼→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；而多軸銑加工時刀軸方向是變化的，編程時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別.

3）多軸銑編程須進行機臺碰撞檢查.多軸加工時，由于工作臺或刀頭的擺動和旋轉，加工過程中容易發生主軸或刀具跟工件、夾具、工作臺的碰撞，這種碰撞稱機臺碰撞.因此，多軸機床必須進行有機床主軸、刀具、工件的運動仿真檢查，只有通過這樣仿真無碰撞的程序，才可以放心在多軸機床上運行.

4 多軸銑加工編程實例

以情境四為例，對多軸編程過程說明如下：

1）零件結構及加工工藝.圓柱傳動凸輪的輪廓尺寸為φ80×80，凸輪槽深20 mm，槽寬30 mm，槽壁與槽底面垂直.凸輪槽的加工應采用四軸聯動加工，工序分為即凸輪槽開粗、凸輪槽底面精加工、凸輪槽左側面精加工、凸輪槽右側面精加工.由于槽寬僅為30 mm，因此采用φ20的平底刀對凸輪槽2個側壁分別進行精加工時，也可獲得凸輪槽底面的精加工.

傳動凸輪材料為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）機床結構及參數.本次加工采用的四軸機床結構見表1，除X、Y、Z3個線性軸之外，還配有繞X軸轉臺的轉軸A.X、Z為主動軸，Y為X的依附軸，A為Y的依附軸，機床控制系統為HNC-21M華中世紀星.

X/Y/Z軸的運動范圍：900/700/500 mm

A軸運動范圍：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，在此只簡要介紹凸輪槽開粗的刀路軌跡生成方法.多軸加工時的刀路軌跡生成方法與三軸加工時的刀路軌跡生成方法的不同之處在于需要設定“投影矢量”和“刀軸”.本文中多軸加工的“投影矢量”可設定為“刀軸”，如圖3所示.“刀軸”設定為“遠離直線”, 如圖4(a)所示；在彈出的在“遠離直線”對話框中“指定矢量”設定為X軸，“指定點”可設定為加工坐標系原點，如圖4(b)所示.

根據本例機床結構及參數在VERICUT軟件中建立仿真機床的模型結構樹如圖5所示，在設定好“切削參數”、“非切削移動”、“進給率和速度”等參數后，生成的多軸加工刀路軌跡如圖6所示.

4）毛坯裝夾及對刀.將毛坯裝夾在四軸機床的轉臺卡盤上，通過百分表找整，使得毛坯中心線與轉臺旋轉中心線重合.裝好刀具，并以毛坯外端面（遠離轉臺端面）中心作為對刀點，將該點坐標作為機床G54輸入值.

圖3 投影矢量設定

圖4 刀軸設定

圖5 仿真機床模型結構樹

5）利用VERICUT軟件進行機臺碰撞檢查.多軸機床需根據機床結構、參數及對刀數據定制后處理程序，定制完成后可直接調用輸出NC代碼.

輸出的NC代碼需要經過VERICUT軟件仿真驗證，才可以放心在多軸機床上使用.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現任何碰撞.

圖6 粗加工刀路軌跡

圖7 機床運動部分仿真

圖8 真機實切

6）真機實切.將檢查過的NC程序送入真機進行切削，真機實切結果如圖8所示.

5 教學結果

通過精選教學內容、合理設計教學情境，學生自己動手裝夾找正工件、建立工件坐標系、對刀、編程、后處理輸出NC代碼、仿真碰撞檢查、真機實切等過程，使學生理解了多軸銑加工的編程特點，掌握了多軸銑加工編程的方法.

[1] 周濟，周艷紅.數控加工技術[M].北京：國防工業出版社，2002.

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

[3] Jisensen. Power mill 高速多軸加工技術[C]//Delcam 2008年年會論文集，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-），湖南耒陽人，數控銑高級技師，副教授.主要從事模具設計及數控加工教學及科研工作.