浅谈世界杯的五轴编程与加工

张炼兵

摘 要：本文介绍了采用奥地利EMCO FAMUP LINEARMILL600 HD 五轴联动加工中心加工世界杯模型的过程，分析了如何解决刀具避让、抬刀及刀具选择等技术问题。

关键词：世界杯 五轴加工中心 编程 加工

世界杯模型外观较复杂，为了让加工出的零件模型无接刀痕迹，必须在五轴加工中心进行加工，同时也必须解决零件的装夹和编程问题。加工造型如图1所示，模型加工毛坯为φ100mm×200mm圆棒料，材料为铝合金（LF5），表面要求光亮，零件图案清晰可见。

一、加工工艺分析

1.加工材料及模型加工分析

（1）世界杯模型为圆柱状零件，形状较复杂，直接将工件固定在工作台上比较困难；

（2）在零件加工过程中，工作台需摆动90°，刀具在加工过程中存在干涉；

（3）零件有较多细小加工部位，需用R1的球刀加工，因球刀较小，须选择合理的加工参数；

（4）选定精加工表面的走刀方式，有螺旋式、单向、双向等选择。

2.加工难点分析

加工过程中有四大难点。一是工件的装夹定位，二是五轴机床加工程序的编制与后处理，三是加工过程中需避免刀具与工件发生干涉与过切，四是加工中的抬刀处理。

二、夹具设计

1.夹具设计原理

根据运动学可知，刚体在空间的任何运动都可看成是相对于三个互相垂直的坐标平面，共有六种运动合成，这六种运动的可能性称为六个自由度。要使工件在空间处于相对固定不变的位置，就必须限制六个自由度，即用相当于六个支承点的定位元件与工件定位基准面接触来限制。 根据工艺流程的分析，决定该工件采用两侧面一端面的定位方案，因两侧面可以控制XY轴的四个自由度，再加上底面用螺丝拉紧，这样整个工件就装夹完成。

根据六点定位原理，在实际中设计夹具，零件装夹完成后如图2所示。

2.夹具结构说明

（1）使用加工中心，在毛坯上加工出12mm×2.5mm的“十”字槽；

（2）工件加工时A轴需摆动90o，为了避免主轴、刀具与工作台发生干涉，工件底面需距工作台140mm以上；

（3）中间连接件上表面与毛坯底面相配合，使用M12螺钉在中间孔穿过固定；

（4）中间连接件与固定底座相配合，使用两个M8螺钉固定；

（5）固定底座使用压块固定在工作台上，尽量使工件居于工作台中心。

三、零件编程与加工

1.粗加工

零件为圆轴类材料，粗加工只需在两侧面各开粗一半，选用CAVITY_MILL型腔铣，注意刀具到工作台的避让，具体参数如下。

（1）刀具： φ10mm铝用粗加工平刀，刀长52mm，加长杆φ30mm，长80mm；

（2）加工参数：转速S8000r/min，进给4000mm/min；

（3）加工策略：CAVITY_MILL；

（4）刀轴：指定矢量+X方向；

（5）粗加工总深度：50mm，加工余量0.3mm；

（6）刀具逼近工件避让：安全平面上200mm。

备注：采用正反面粗加工方式，在+X方向粗加工50mm，在–X方向粗加工剩下的余量，这样粗加工就完成了，如图3所示。

2.半精加工

由于五轴加工中心的刀具可以对工件呈任意姿势进行加工，所以可避免切削速度为零的现象，还可以选择最适宜的刀具及相对于工件的姿态有效地进行加工，以及对凹入的形状用刀具倾斜的姿态进行加工，这些都是有利于加工的条件。因粗加工留下的余量较大，在这里选用R3球刀做半精加工，留余量0.05mm，A轴摆动78o，具体参数

如下。

（1）刀具：R3铝用粗加工球刀，刀长25mm，加长杆?20mm，长80mm；

（2）刀具参数：转速S9000r/min，进给3000mm/min；

（3）加工策略：多轴铣削VARIABLE_CONTOUR；

（4）驱动方法：曲面，如图4所示；

（5）切削模式：往复；

（6）步距：数量1000（步距0.1mm）；

（7）刀轴：垂直于驱动体；

（8）加工余量：0.05mm；

（9）刀具逼近工件避让：安全平面上200mm。

备注：采用曲面驱动，切削模式为往复。A轴摆动78o，刀具往复加工，刀具只是Y、Z轴移动，加工速度快，可避免切削速度为零的现象，加工表面质量好，刀路如图4所示。

3.精加工

半精加工完成后，零件余量只有0.05mm，选用R1铝用精加工球刀，A轴摆动78o，具体参数如下。

（1）刀具：R1铝用精加工球刀，刀长20mm，加长杆?20mm，长80mm；

（2）刀具参数：转速S12000r/min，进给率1600mm/min；

（3）加工策略：多轴铣削VARIABLE_CONTOUR；

（4）驱动方法：曲面，如图5所示；

（5）切削模式：螺旋线；

（6）步距：数量4000（步距0.025mm）；

（7）刀轴：垂直于驱动体；

（8）加工余量：0mm；

（9）刀具逼近工件避让：安全平面上200mm。

备注：采用曲面驱动，切削模式为螺旋线，A轴摆动78o，刀具螺旋线加工，刀具只是Z轴移动，C轴转动，加工速度相对慢一点，但效果好；A轴摆动78o，可避免切削速度为零的现象，加工表面质量好，刀路如图5所示。

4.补加工

精加工完成后，零件正顶面还有余量，选用R1铝用精加工球刀，采用CONTOUR_AREA輪廓区域加工策略，加工效果如图6所示，具体参数如下。

（1）刀具： R1铝用精加工球刀，刀长20mm；

（2）刀具参数：转速S12000r/min，进给800mm/min；

（3）加工策略：CONTOUR_AREA轮廓区域加工；

（4）切削模式：往复；

（5）步距：步距0.05mm；

（6）刀轴：+Z轴；

（7）加工余量：0mm。

参考文献：

[1]李维.NX7.5五轴编程与加工[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]白成轩.机床夹具设计新原理[M].北京：机械工业出版社，2007.

（作者单位：广东省机械高级技工学校）