五軸聯動數控加工研究

劉鐵軍

（浙江廣廈建設職業技術大學智能制造學院，浙江 東陽 322100）

零件加工過程中，以往采用的是三軸機床，該機床雖然可滿足大部分類型零件的加工制造，但效率低，質量相對較差，且很難完成一些復雜零件的制造。這一背景下，機械加工領域經過大量研究，逐漸研發出了加工效率與質量更高的零件加工工藝，即五軸聯動數控加工技術。但需要注意的是，由于該技術采用了旋轉軸，將會導致軸矢量出現突變的問題，在高速加工過程中，很容易使刀具或工件損壞，因而該技術的應用依然不是很廣泛。

1 零件模型概況

1.1 零件尺寸

本文研究中，選擇了S 形試件作為研究對象，對五軸聯動數控加工技術展開了研究。S 形試件是現代機械制造領域常見的工具之一，通過S 形試件的應用，可對機床予以檢驗，判斷機床是否存在缺陷，以免生產出規格不符合要求的零件。S 型檢測試件是一個結構較為復雜的零件，共由兩部分構成，一個為S 型的緣條，其各區域的厚度完全相同，另一個為矩形基座，用于對緣條的支撐，在基座的上部，包含4 個階梯孔，用于工件的裝夾；包含2 個定位孔，用于安裝定位與測量基準，其結構參數如圖1 所示。S 形試件加工時，將基座的上表面為Z=0mm 平面，以矩形基準左邊的定位孔φ16H9 作為中心，構建出相應的坐標體系。對于矩形基座來說，高度為30mm，且在其4 個角處，預留出1 個階梯孔。在基座的上方，安裝S 型緣條，其厚度為3mm，且與基座間存在一定角度，兩者并不垂直。

圖1 S 型試件尺寸模型

1.2 建模流程

由于S 型試件結構復雜，使得其建模流程較為煩瑣，具體為：登錄到相應的建模軟件后，向其中錄入2 組數據點，每組各50 個，共100 個，其中1 組在Z=0mm 平面上，1 組在Z=40mm 平面上。以此為基礎，在各平面內，分別構建出相應的三節樣條曲線，之后利用該曲線當作導線，通過直線掃略的方式，構建出直紋面。然后向著X 軸的方向上，將直紋面拉伸3mm，使其厚度增加到3mm，以此得到上部緣條。最后，在軟件新建頁面內，繪制出基座的模型，并通過布爾求差的方式，在模型適當位置處構建出6 個孔洞，其中，4 個作為階梯孔，2 個作為定位孔，以此完成整個S 型試件建模工作。

2 數控編程

2.1 加工工藝分析

通過S 型試件模型分析能夠發現，緣條和基座之間存在一定的角度，兩者并不垂直，屬于非直壁零件，因而很難通過三軸機床進行加工處理。基于此，本研究對S 型試件加工時，采用了五軸聯動數控加工技術，先構建S 型試件加工流程卡片，并利用含有UG NX 功能的CAM 系統，通過多軸銑削變成的方式，設計出相應的加工刀路軌跡前置指令，構造出AB 雙擺頭型五軸后置處理器，在前置指令的控制下，即可得到S 型試件數控加工后置G 代碼。S 型試件加工時，需要針對試件材料特性，選擇最佳的加工方式，設置合理的切削參數。針對本研究所采用的試件來說，選擇的是7175-T7451鋁合金，其緣條厚度是3mm，是一種薄壁件。另外，在緣條和基座之間存在一定的角度，是非直壁零件。針對該試件的材料特性，結合結構特點，可得到加工流程卡片，其中主要包含4 個環節，分別為坯件粗加工、緣條粗加工、緣條精加工與基準孔加工，如圖2 所示。

圖2 加工流程卡片圖

2.2 刀路軌跡規劃

根據該試件加工工藝，可確定出各環節加工內容，設計每個環節的加工方法，選擇最佳的加工刀具，具體如表1 所示。

表1 加工內容及刀具的選擇

針對UG CAM 的編程步驟，先在軟件內，將前期構建的模型打開，并跳轉到UG 加工編程界面內。然后以此為基礎，結合加工流程，加載毛坯件，并設置相應的參數。

2.2.1 沉頭孔處理

對沉頭孔處理時，主要由工序1 與工序2 完成。在界面相應的對話框內，錄入“drill”，可自動跳轉到鉆削加工界面。在該界面當中，構建3 把刀模型，分別為：（1）刀具T1，為Spotdrilling-Tool 中心鉆，半徑為10mm，長度是65mm，作為定位孔的處理工具；（2）刀具T2，為Drilling-Tool 鉆刀，半徑為10mm，長度是65mm，作為φ20 通孔的處理工具；（3）刀具T3，為Counterboring-Tool 锪刀，半徑是16mm，長度是50mm，作為φ32 沉頭孔的處理工具。之后，設計工序：選得到中心孔，然后得到通孔，最后得到沉頭孔，以此結束該環節的加工工序。

2.2.2 型腔銑

主要由工序3 完成，操作流程為：在型腔銑加工界面內，構建出1 個立銑刀模型，其半徑是16mm，圓角半徑是3mm。然后設置部件、毛坯等相關參數。針對零件結構特點，設計刀具軌跡，并設置切削方法，即“跟隨周邊”；添加切削參數，其中，對于底面余量來說，設置成0.5mm，對于側壁余量來說，設置成2mm；添加進給率參數，設置運行速度，最后點擊確定，即可自動得到刀具的軌道控件。

2.2.3 S 型面精加工

該環節是整個S 型試件加工的重點，直接關系到整個試件的加工質量。針對S 性試件的結構特點，可采用多種精加工方法，常見的有下述4 種。

（1）順序銑。點擊“創建”選項，在多軸銑一欄內，點擊“順序銑”，以此跳轉到相應編程界面中。在該界面內，構建出立銑刀模型，其半徑是10mm；構建安全平面；在“進刀設置”項目內，確定進刀方式，設置相應的參考點，選擇相匹配的幾何體；在“刀軌運動”項目內，分別構建檢查、驅動曲面及部件的表面；結束推刀。（2）外形廓銑。在多軸銑一欄內，點擊“輪廓銑”，跳轉到相應編程界面中。該界面內，按照第一種方法，構建銑刀模型，構建幾何體。之后將基座上表面當做底面，將緣條曲面當作側壁；在“驅動方式”項目內，選擇“外形輪廓銑”；在“刀軸設置”項目內，選擇自動模式；在“加工方法”項目內，點擊精加工選項。（3）分層外形輪廓銑。以第二種方法為基礎，分別選擇8 個輔助面，以此通過分層加工的方式，進一步對緣條進行加工處理。（4）分層可變輪廓銑。在多軸銑一欄內，點擊“可變輪廓銑”；將緣條表面當作驅動曲面，并在“切削模式”項目內，選擇單相，將步距設置成6；在“投影矢量”項目內，點擊面向驅動體；在“刀軸模式”項目內，點擊側刃驅動體；其他操作與設置和第一種方式一致。

2.2.4 基座表面與中心孔加工

主要由工序5 與工序6 完成，用于對整個試件加工精確度的測量。進入創建工序界面，在“鉆孔模式”一欄內，點擊“標準鉆孔”，跳轉到孔加工界面；構建鉆到模型，其半徑為8mm；設置基準孔；將安全距離谷值設置成80mm；在“循環類型”項目內，選擇標準鉆。

2.3 五軸后處理

對于刀位軌跡資料來說，數控機床通常很難識別，無法直接將其應用到S 型試件加工中。與此同時，不同類型機床的內部結構存在差異，連接的數控系統并不相同。所以，在得到刀位軌跡資料后，應予以適當處理，使其變為相應的程序代表，以被數控機床所識別。對于這一過程來說，則是后置處理。本文研究中，采用的是專用后置處理元件，其中，UG/Post Builer 當作開發工具。在后置處理元件內，針對機床類型與特點，對各項參數進行設定。之后以此為基礎，將刀路軌跡資料傳輸到后置處理元件內，自動轉變為相應的后置命令。

3 虛擬加工仿真

3.1 構建仿真平臺

在數控仿真軟件方面，采用的是VERICUT 系統，針對機床的運行特點，結合相關參數的設定，在該系統內，構建出相應的機床模型拓撲結構。在UG 界面內，繪制出各機床的三維模型，并從以此為基礎，不斷導出各個組塊，然后針對拓撲結構特點，將其傳輸到VERICUT 系統中，設置組件的相關參數，進而得到AB 雙擺頭五軸聯動數控機床模型。得到機床模型后，應將位置、運動模式等初始化處理，以使機床模型處于初始狀態。最后，在模型中，錄入相應的控制系統，以用于零件加工時的自動化控制。本研究中，選擇的是840D 數控軟件。

3.2 NC 后置程序驗證

在“項目樹”一欄內，選擇“坐標系統”，以構建出新坐標系；在坐標系內，點擊“Stock（0,0,0）”，選擇400×200×40mm 的矩形塊，以此得到毛坯模型；點擊“Design（0,0,0）”，導入試件的模型；右鍵點擊“加工刀具”，選擇“刀具管理器”，之后依次點擊“添加”“刀具”“新”“銑削”，由此構建出6 把刀具；點擊“程序”一項，載入轉化后的后置指令；在“項目上述”一欄內，點擊“工位：1”，選擇“G-代碼”，以跳轉到“徑向刀具補償”列表內，并設定相應的參數；選擇“G-代碼偏置”，設置坐標系。之后點擊“保存”，并選擇“啟動”，機床則自動完成S 型試件加工操作。

3.3 模型誤差對比

通過該方式對S 型試件加工時，并未出現過切或少切的問題，且整個加工過程中，并未出現碰撞，由此表明，該加工技術就有較好的應用效果。為了進一步了解不同S 型面精加工方法的精確性，本文還分別將上述介紹的四種方式錄入仿真軟件內，并分解進行了試件仿真加工分析。通過對四個分析模型的觀察可以發現，采用第一種方法時，在S 型試件表面內，出現了大量圓形框，且面積很大，表明其存在很大的誤差；采用第二種方法時，也出現了較大面積的圓形狂，表明其誤差也較高。而采用后兩種方式時，圓形框的面積非常小，尤其是第三種方式，圓形框的面積可以忽略不計，由此表明，第三種方式的加工精確性最高。

4 切削試驗

按照上述流程，以第三種S 面精加工方法為主，采用7075-T7451 鋁合金制作出了S 型試件，在試件緣條上，分別于10mm、22.5mm 與30mm 位置處，設置3 條截取線，并按照相同的間距，設置25 個檢測點，之后以此為基礎，通過與理論模型的比較，推導出各點位的法向誤差。最后，通過可視化技術手段，將法向誤差結構投射到S 型試件表面上，利用不同的灰度值，對誤差情況進行區分，表面越明亮，所存在的正誤差值越高，反之，負誤差值越高。通過試驗結果觀察能夠發現，對于本文介紹的五軸聯動數控加工技術來說，反向誤差較小，處于±50μm 范圍內，符合規定要求。

5 結語

綜上所述，五軸聯動數控加工技術是現代機械加工領域較為常見的零件加工方式，利用該技術不僅可以快速完成復雜零件的加工處理，而且還提升了零件加工的精確度，誤差控制在±50μm 范圍內，符合規定要求，因而可將其推廣到復雜零件加工中。