复杂航空外协铝件的五轴联动编程

刘瑞军

摘 要：应用五轴联动技术解决某公司复杂航空铝件加工，为公司今后更多的承接复杂外协工件奠定了坚实的基础。

关键词：五轴联动；高速铣；多轴切削；分层切削编程

公司近来积极开拓外协加工市场，与某公司先后签下了69、68、66、62、71等多种系列航空外协铝件，由于该模具结构都很复杂，斜槽、斜孔、不规则型面大量出现在工件体上，所以采用普通的三轴数控是无法加工出来的。根据工件的实际特点，工作人员制定了可行的编程工艺，开发出各类斜槽、斜孔、不规则型面的五轴数控加工程序，并根据加工量的多少，采用了五轴联动分层切削编程，最终都在高速铣上顺利实施加工，很好地保证了工件的如期交付，为公司今后更多的承接复杂外协工件奠定了坚实的基础。

1 复杂航空铝件工艺分析

一般而言，航天航空件由于其特殊用途，所以外形比较复杂，在制造加工上难度大，所需加工技术含金量比较高，某公司外协铝件也不例外，由于该模具结构都很复杂，斜槽、斜孔、不规则型面大量出现在工件体上，而这些部位的加工都需要刀具摆角倾斜加工并配以工件的圆周运动，否则若直接加工必然造成工件过切，这两个条件在普通的三轴机床上是不具备的，所以三轴机床是无法加工出来的。而高速铣床具备五轴联动功能即刀具走空间点位（X，Y，Z）同时还可以绕Z轴在0-360度范围内旋转C角以及实现刀具的摆角B，如图所示，具备了硬件加工条件。在软件方面，采用了UG软件的强大的多轴切削新技术模块进行五轴联动编程。

图1

2 五轴联动程序编制

UG软件以CAM加工著称，其多轴加工方面和同类软件相比更胜一筹。UG软件多轴加工模块提供了的多样的驱动方法，比如边界驱动法，曲面区域驱动法、螺旋线驱动法、刀具轨迹驱动法和径向驱动法等。在UG软件的五轴联动编程中，刀轴矢量控制方式的是很重要的参数，所谓刀轴矢量是指从刀端指向刀柄的方向，它用于定义固定刀轴（3轴）与可变刀轴（5轴）的方向。固定刀轴与指定的矢量平行，而可变刀轴在刀具沿刀具路径移动时，可不断地改变方向。

UG提供了丰富的刀轴矢量控制方式来对多轴程序进行有效控制，为五轴联动程序编制提供了灵活性。

五轴编程中驱动方式和刀轴控制方式的设置是关键，针对不同工件灵活选择驱动方式和刀轴控制方式以及其他相关参数来优化五轴联动程序，从而输出高质量的程序。一般来讲，对于圆柱面采用Toward Line朝向线的刀轴控制方式，对于球体面则采用Toward Point朝向点的刀轴控制方式。铝件加工变形较大，为了降低变形，编程上采用了粗中精编程，粗加工余量为2mm，中加工余量为0.5mm，精加工余量为0.05mm，对于加工量大的拐角部分则采用了清角（FLOWCUT）的编程策略。在五轴联动编程方面有五个方面的突破：

（1）在斜孔加工中实现了五轴的啄孔加工，解决了如何进阶式五轴钻孔。由于高速铣床五轴功能中无法实现钻孔循环功能，所以对于五轴斜孔必须将孔中心线上的每一点坐标都计算出来。五轴的啄孔编程时难点在于刀具轴正向确定，一般选择Tool AXIS 为NORMAL TO PART SURFACE（图2），但有时会出现刀具头向下现象，此时可以采用方法（1）Specify Vecotor 选择Part surface然后反向以下即可，此种情况只对Plane和Cylinder有效。而对于球体则只能采用方法（2）两面法：先选择Part Surface 则选择Bottom Surface从而确定刀轴正向，如果没有现成的Bottom Surface，可以通过OffSet Face对Part Surface进行偏移即可而对于圆锥型倒角孔，编程时需要找到圆锥面的顶点，加工时刀尖选择TO These Points即可。

图2

（2）在斜槽加工中实现五轴分层切削编程，对于比较深的窄斜槽，由于所用刀具较小，每次吃刀量不能太大，所以必须采用分层切削，通过修改切削参数Part stock Offset 值和Increment值来实现，如图3所示，一般高速铣每层切削量设为0.3mm。

图3

（3）根据高速铣的C转角0-360的限制，在五轴联动分层切削中用回字形切削替代原来的单向切削对程序进行优化，避免了层与层之间需要手动频繁抬刀，解决了五轴联动程序中C轴受最大360度限的难题。

（4）针对不规则型面采用型面偏移法来输出刀心轨迹，增强了编五轴曲面程序的灵活性，只要球头刀按刀心编程在RTCP ON模式下就不必关心刀长补偿问题。

（5）五轴联动专用后处理程序的制作

UG走刀并產生的刀位文件（CLS文件），并不能直接用来加工模具，还必须对CLS文件进行后处理方可生成加工程序-NC代码。后处理程序的执行过程如图5所示。针对不同数控系统制作后处理程序（MDFA文件）是CAD/CAM应用中的一项重要工作，它直接影响着从CLS->NC 代码转换的正确性。UG软件中提供了常见控制系统的后置处理设置，公司五轴高速铣床采用的是FIDIA控制系统，B轴的范围为-90-+90度，C轴的范围是0-360度。利用UG软件的PostBuilder模块配置了针对该控制系统的专用五轴联动后置处理程序，从而将生成的刀位点（CLS）转化成该机床能正确识别的G代码数控加工程序。

3 结束语

UG软件具有强大的多轴编程模块，功能非常全，基本上可以满足各种复杂模具零件的编程需要，尽管在高速铣五轴联动编程方面有了很大的进步，但仍然有许多功能有待进一步挖掘，仍有很多挑战性的工作需要去完成，所以应该静下心来去进行深入研究，以便更好地服务于生产。

参考文献

[1]苏红卫，等.UG铣削制造过程培训教程[M].北京：清华大学出版社.

[2]安杰，等.UG CAM实用教程/UG后处理技术[M].北京：清华大学出版社.