數控四軸銑削加工增效技術研究

吳嘉炎

（茂名市高級技工學校，茂名 525000）

隨著我國工業的快速發展，數控機床作為一種機電一體化產品，得到了越來越廣泛的應用，多軸數控加工技術也取得了迅猛的發展。數控機床是通過控制不同的運動軸、聯動軸來實現不同形狀零件加工的設備。四軸控制的數控機床是在三軸聯動的基礎上，增加了旋轉軸控制要素，能夠實現更復雜、多樣化的產品生產。但是，當前數控四軸銑削加工技術仍不夠完善，不能滿足生產實際的多種需求，需要對其進行優化增效。

1 傳統數控四軸加工的切削方式

1.1 正向、反向型腔銑切的加工刀軌

箱體數控四軸結構顯著擴大了數控四軸床的加工范圍，如圖1所示。

圖1 箱體數控四軸結構

如圖2所示，常軸類的曲面零件。是由圓柱面上集成的若干特征組合而成，隸屬于典型的數控四軸基床的加工對象，通常情況下毛坯都采用棒料。在加工過程中，首先需要對棒料進行粗加工，將棒料的大部分余量去除，但是UG中不包含專門進行多軸粗加工的相關編程模塊，因此通常情況下采用三軸加工中的VAVITYMILL方式（腔型銑）方式進行編程。

圖2為長軸類型的曲面零件正向型腔、反向型腔銑削的刀軌示意圖。由圖2可以發現，該刀軌存在進退刀的動作過多、刀軌不連續的特點，整個正反向刀軌呈碎片化趨勢。

1.2 采用可變輪廓的銑曲面驅動刀軌

為了有效解決型腔銑切削多層數問題，UG軟件提供VARIABLE_CONTOUR模式，即可變輪廓銑切削模式，通過曲面驅動的方式，分層將余量去除，良好解決了型腔銑切削多層數的問題，如圖3所示。

在UG軟件中，可變輪廓銑曲面驅動模式是最為強大的多軸切削方式。對于相對簡單的曲面，可變輪廓銑曲面驅動的刀軌較為規則，一旦處于曲面十分復雜的情況，刀軌中所包含的進退動作就會極多，造成整個刀路呈現嚴重碎片化，同時曲面與地面交接處會殘余體積很大的毛坯，形狀也呈現不規則形態，會為后續的精加工帶來工序無法順利完成的隱患，如圖4所示。此外，大幅度增加的無效非切削距離，將無法保證加工的質量和效率。

圖2 正向型腔銑切削的刀軌

圖3 可變輪廓銑切削的刀軌

在CAM多軸模塊中，新版本UG10中提供了MILL_ROTARY模式，即旋轉地面切削模式，可將其應用于對螺旋零件的底面加工中，如圖5所示。

圖4 可變輪廓銑切削加工后殘余毛坯

圖5 螺旋零件底面的 切削刀軌

這種切削模式的優點在于刀軌形狀十分規則、進刀/退刀動作少，缺點在于只能在加工中使用求導，同時無法實現分層切削。因此，在實際生產過程中，它無法有效解決數控四軸粗加工問題。

2 四軸銑削的增效技術

2.1 刀軌的構建

數控四軸旋轉的刀軌，其集成了CAM模塊和CAD模塊的優點。四軸旋轉刀軌的構建分為以下步驟：曲線提取、將曲線展開、NC編程、曲線轉換、纏繞曲線、NC編程，其具體的構建步驟如圖6所示。

2.2 四軸旋轉刀軌構建的算法思路

在對四軸旋轉刀軌進行構建之前，首先要構建驅動曲線，即構建必要的輔助曲線，具體的算法思路可分為5部分：曲線打斷部位（焦點）；輔助平面；邊界特征、輪廓線；邊界曲線（展開后）；輪廓曲線（展開后）。

（1）曲面邊界特征、輪廓線的提取。為了得到CAM編程要求的平面曲線，第一步是構建過軸線，同時要求過軸線垂直于切削平面中的輔助平面；第二步將邊界特征輪廓線，在曲面邊界與輔助平面部分特征輪廓線制造出的交點處打斷，進而將切削平面展開為平面曲線。

（2）利用PLANAR_MILL方式，以平面曲線作為邊界生成平面刀軌，針對粗加工刀軌時，應留有一定余量，若進行精加工刀軌，則余量為0。

（3）將平面刀軌的數據，通過后處理程序轉換為DAT數據文件進行輸出，即輸出點位坐標，每一行的三個數字分別表示刀位的X、Y、Z的坐標。

（4）在UG-CAD中導入DAT數據，從而迅速形成多段、連續的一階平面樣條曲線。

（5）將生成后的樣條曲線在目標曲面上進行纏繞，從而獲得空間樣條曲線，如圖7所示。

在VARIABLE_CONTOURT模式，即可變輪廓銑切削中，選擇去曲線/點的驅動模式，將驅動曲線作為纏繞線，刀軸方向設置為“遠離直線”，選擇旋轉軸線為“直線”。圖8為切削刀軌，可明顯看出，每一層只存在一次進退刀的動作。

圖7 將平面樣條曲線在目標上纏繞

圖8 四軸旋轉分層刀軌

通過程序所生成的刀軌具備連續、廣順的特點，有效提高了加工的效率和質量。

3 驗證和結論

對圖1中曲面具備復雜特征的長零件，利用四軸加工中心進行加工，并分別采用不同類型的CAM編程模式，驗證實際加工效果，具體數據如表1所示。

表1 NC程序受編程模式影響數據

通過表1數據可知，四軸旋轉刀軌幾乎不存在切削盲區，非切削距離最少。型腔銑刀軌切削盲區嚴重，非切削距離最多，進而導致非切削距離/有效切削距離小于1，切削效率大幅度降低，而曲面驅動刀軌，即可變輪廓銑刀軌介于型腔銑刀軌和四軸旋轉刀軌二者之間。由此可得出結論，數控四軸旋轉刀軌具有明顯的優勢，在進行加工期間應優先選用。

4 結語

數控機床可以對樣式復雜、精密的多品種零件實現加工，是一種效率較高的自動化加工機床。在數控機床中，傳統的四軸數控銑切削加工方式十分復雜，存在一定缺陷，會對設備的實際使用效能造成一定影響。因此，本文提出四軸銑切削加工的增效技術。經過實踐加工的驗證，四軸旋轉刀軌技術綜合性能優于其他加工形式，應大力在四軸銑削加工中進行應用和推廣。

[1]石從繼.應用宏程序和VERICUT實現空間螺旋槽四軸數控加工[J].現代機械，2016，（5）：25-27.

[2]張武.基于UG NX的維納斯雕像數控四軸加工工藝研究[J].新技術新工藝，2017，（7）：12-14.

[3]傅偉，趙東宏，王庭俊.數控四軸旋轉刀軌優化技術的研究[J].工具技術，2017，51（11）：105-108.

[4]李威，王春義，吳志剛，等.基于MACH3軟件的經濟型數控四軸雕刻機的設計[J].機械工程與自動化，2016，（1）：110-111.

[5]連碧華.薄板零件數控銑削加工變形控制研究[J].機械制造與自動化，2017，46（6）：29-30.