基于ASX400 銑刀盤車銑復合與五軸加工技術研究＊

師耀堂

（運城職業技術大學，山西 運城 044000）

車銑復合與五軸加工屬于工程上的多軸加工范疇，相對于傳統三軸銑床或者數控車床，其至少具有一個旋轉坐標進行聯動插補或者定向加工。車削中心屬于車銑復合機床，由傳統數控車發展而來，其主軸增加了C軸插補功能，刀架除了車床的Z軸和X軸的插補運動外，還可以增加Y軸運動功能，如圖1。

圖1 車削中心結構簡圖

ASX400 銑刀盤（以下簡稱刀盤）結構形狀如圖2，選用?65 mm 鋁合金圓柱毛坯分別在車削中心和五軸機床上加工。車削刀具通過和主軸的90°安裝完成工件外圓和內孔輪廓的加工；動力銑刀通過0°安裝完成端面鍵槽加工（圖2 中1 處）；5 個刀片安裝部位（圖2 中2 處）通過五軸機床定向加工完成。以下結合實際對該過程進行詳細研究。

圖2 ASX400 銑刀盤三維圖

1 刀盤的車銑復合加工

工程訓練中心的eco turn 310 車削中心是DMG MORI公司生產的12 動力刀位機床。因Y軸行程屬于選配功能，機床只有X、Z和旋轉C軸的三軸聯動結構，X刀軸中心通過C軸回轉中心，相較與具有Y軸行程的機床，其插補運動范圍受到限制。

1.1 XZC 三軸聯動外圓銑削功能分析

外圓銑削時，采用90°安裝動力刀加工。三軸可組成的機床運動形態有X、Z、C軸單獨運動，XZ、XC、ZC兩軸聯動，XZC三軸聯動插補幾種。其常用加工輪廓形狀如表1。

表1 三軸車銑復合外圓銑鉆功能表

數控編程對于回轉軸的運動有兩種控制方式。一種按照ISO 標準以旋轉角度值計量，如圖3a；另一種是將旋轉角度展開為線性坐標計量，如圖3b，將C軸的旋轉角展開到Y軸，換算方式如下，設回轉軸半徑R，有：Y=R·θC[1-3]。

圖3 回轉軸的運動控制方式

如圖4 所示，在?50 mm 圓柱上銑削25°升角螺旋槽，槽底直徑38 mm，C軸旋轉角度±90°，展開到Y軸上得到：Y==29.8，計算其一半螺距πR×tan25°=27.8，螺旋槽從Z-10 位置開始銑削，使用角度控制C軸運動，編程如下（FANUC 0i系統）：

圖4 外圓螺旋槽銑削

使用旋轉角度展開到Y軸，編程如下（SIEME NS840D 系統）：

1.2 XZC 三軸聯動端面銑削加工分析

端面銑削時，采用0°安裝動力刀在XY平面上插補，Y軸作為虛擬軸參與編程。如圖5 所示,端面上的任意點a，通過C軸的回轉和刀具在X軸移動到達銑削位置。所以端面的任意形狀輪廓都可以通過X、C軸聯動插補完成加工。考慮到刀具半徑r，系統X軸和C軸坐標轉換算法為：

圖5 端面C、X 軸插補原理

1.3 基于人機對話編程刀盤的車銑復合加工

車銑復合機床采用西門子840D 數控系統，配備ShopTurn 人機對話系統來編程和操作。人機對話的特點是操作簡單，編程方便，操作者不需要編程的知識即可完成加工。一個ShopTurn 加工程序包括程序開頭、程序段和程序結束3 個部分。程序開頭進行整個程序的參數設定，包括毛坯尺寸，工件原點及裝夾位置等信息；程序段設定各個加工步驟，包括工藝步驟段、輪廓和定位程序段等，并給出切削方法、刀具選擇、切削要素和加工余量等工藝參數及輪廓位置數據；程序結束由系統自動生成[4-6]。

刀盤的圖形人機對話編程加工過程在此不再贅述。完成的工件左端仿真加工結果如圖6 所示，經確認無誤后，準備毛坯、刀具和設置工件原點等，在車銑復合機床上完成加工。

圖6 車銑復合加工仿真結果

2 刀盤的五軸定向加工

實訓中心的TOM1060 型五軸聯動加工中心采用A、C雙轉臺式結構。如圖7 所示，C0為轉臺上表面中心，A0是A軸中心。車銑復合完成的零件在C軸轉臺上裝夾，通過AC軸依次旋轉定位，完成刀盤五個刀片安裝部位的加工，稱為五軸定向加工，也稱3+2 軸加工。

圖7 雙轉臺五軸機床結構簡圖

2.1 基于UG 刀盤CAM 過程

UG 軟件是業內廣泛使用的自動編程軟件，其加工編程模塊包括定軸車、銑和鉆等，還可以進行變軸銑削、五軸聯動加工等復雜路徑零件的加工編程。

啟動軟件打開刀盤零件，進入加工模塊。設置工件坐標系在刀盤上平面孔中心位置，Z軸的方向垂直向上，如圖8 所示。選擇已有刀盤零件和毛坯體。采用固定軸型腔銑工序進行大量毛坯去除，設置刀軸矢量和加工部位底面垂直，設置其他相關參數后完成一個刀片安裝部位加工。采用刀軌對象變換的方法，在圓周復制相同的工序，完成其余幾個部位的型腔銑。

圖8 CAM 軌跡仿真結果

對于一個加工部位來說，刀軸為定軸銑削方式，不同部位程序經過后處理所形成的刀軌必然是變刀軸的定向銑削[7-8]。

所有部位軌跡生成后，3D 仿真進行驗證，如圖8所示。確認無誤后，使用機床專用后處理器生成G代碼輸入機床加工。

2.2 五軸雙轉臺機床的RPCP 參數測量

RPCP（rotation around part center point ）是雙轉臺五軸機床工件旋轉中心編程的簡稱。實訓中心機床配備的SIEMENS 840D 數控系統具備RPCP 功能。

2.2.1 系統RPCP 功能解析

軟件在前期CAM 過程中，被加工的工件保持不動，CLSF（cutter location source file）文件記錄的是刀具平移坐標和刀軸矢量變換信息，且刀軸的矢量變換以刀位點為中心。實際加工時，由于刀具旋轉中心（雙擺頭機床）或者工件旋轉中心（雙轉臺機床）和刀具刀位點不重合，即存在樞軸中心距，使得旋轉運動引起刀位點偏移。如圖9 所示，工件需要A 軸旋轉θ 加工，圖中虛線表示工件以刀位點T0為中心旋轉（刀位點和旋轉中心重合），不會產生刀位點偏移，若以A 軸轉臺中心A0旋轉，則產生X0和Z0的位置偏移。雙轉臺五軸機床定向加工雖然只有直線軸在聯動插補，但由于A、C軸的旋轉定位，也會產生相同的問題。

圖9 工件旋轉引起刀位點偏移

沒有RPCP 功能的數控系統依靠軟件的后置處理來進行上述偏差的補償計算，刀具長度、工件坐標改變等都需要重新后處理，且工件裝夾時坐標中心和轉臺中心要重合，給編程和加工帶來不便。有RPCP 功能的數控系統根據機床事先設定的參數和編程軌跡位置進行補償計算，得到實際軌跡位置，使編程和加工效率提高。以下給出機床進行RPCT補償計算需要的參數的測算方法。

2.2.2 機床原始樞軸中心距M的測算

原始樞軸中心距M是指Z軸零時刀位中心到A軸回轉中心的距離，是系統進行RPCP 補償計算的重要依據，如圖10 所示。Zf是A軸回轉中心到C軸轉臺表面距離，Cz是轉臺上表面到Z軸零位主軸端面距離，是機床的固定參數，以下進行Zf和Cz的測量。

圖10 Zf和 Cz和M 值的測算

（1）百分表固定于機床主軸端面，指針沿Y方向在轉臺上表面進行前后移動，并調整A軸角度，直到指針跳動在規定范圍內，表明轉臺水平。記錄此時的機床坐標A值為工件坐標A軸零位置。

（2）分別旋轉A軸±90°位置，尋邊器測量轉臺表面的Y1a和Y2a值，得到Zf=|Y1a-Y2a|/2,如圖11所示。

圖11 Zf值的測量

（3）機床A軸、Z軸歸零后，轉臺上表面放置Z軸設定儀。主軸端面接觸設定儀后得到Z1值,則Cz=|Z1|+50，如圖10 所示。

系統根據測量的Zf和Cz值 ，計算M=Zf+Cz-L，可見刀具長度L也是補償計算的重要依據，加工前必須輸入系統。

2.2.3A、C軸轉臺中心坐標及偏移距離測算。

樞軸中心距的存在使刀具編程位置和實際位置產生偏移，C軸轉臺中心和A軸旋轉中心存在的偏移Yp， 會繼續產生偏差 δy、δz，如圖12 所示。所以系統在進行刀位補償計算時還要考慮A、C軸偏移距離，以下對其進行測算。

圖12 A、C 軸中心偏移引起坐標偏差

（1）C軸轉臺中心C0位置測算。A軸回零情況下，即轉臺水平狀態。使用尋邊器在轉臺左右測定X1、X2； 前 后 測 定Y1、Y2，則Cx=(X1+X2)/2，Cy=(Y1+Y2)/2，如圖13 所示。

圖13 C 軸轉臺中心坐標測量

（2）A轉臺中心位置測算。Ax取值和Cx相同。利用章節2.2.2 中步驟（2）測量的Y1a、Y2a值，得到：Ay=(Y1a+Y2a)/2。

（3）得到A、C軸中心X向偏移距離XP=Cx-Ax=0，對偏差沒有影響；Y向偏移距離YP=Cy-Ay，則產生如圖12的偏差。

系統根據刀長L及測算的Zf、Cz、YP、工件坐標、機床原點等對編程刀位點進行補償計算后得到實際位置來控制各軸運動。需要指出的是，RPCP參數并不是每次加工都需要測算，在機床發生碰撞、維修、產品精度下降等情況下才重新進行標定[9-10]。

2.3 工件的裝夾和工作原點設定

2.3.1 工件的裝夾

因為A、C軸旋轉中心坐標和偏移距離參與補償計算，工件在C軸轉臺裝夾時的坐標中心點不一定和C軸中心重合，只需對工件找正夾緊即可，使得加工效率提高。

2.3.2 工件坐標原點的確定

（1）設置工件XYZ直線坐標的原點和CAM 處理時的位置一致，坐標軸方向符合右手笛卡爾坐標系。

（2）A軸零位的確定，上述章節2.2.2 中步驟（1）已經給出。

（3）C軸零位置的確定：在多軸加工時，工件裝夾后，選擇工件的基準邊和X軸或者Y軸成一定角度利于加工，可將此時的C軸角度定為零位置。

工件裝夾和原點設定后，還需在刀庫準備刀具，確定刀具長度等工作完成后，使用后處理完成的G代碼驅動機床加工，最后完成銑刀盤的加工，如圖14 所示。

圖14 加工完成的刀盤零件

3 結語

裝備制造業是國民經濟的基礎，車銑復合與五軸加工機床都屬于較先進高端制造裝備，在我國從制造大國向制造強國邁進過程中扮演著重要角色。本文通過車銑復合機床和五軸機床完成刀盤的加工過程，闡述相關方法和原理，結合實踐操作經驗，為從事多軸加工技術人員提供技能經驗和指導作用。