五轴联动数控加工研究

刘铁军

（浙江广厦建设职业技术大学智能制造学院，浙江 东阳 322100）

零件加工过程中，以往采用的是三轴机床，该机床虽然可满足大部分类型零件的加工制造，但效率低，质量相对较差，且很难完成一些复杂零件的制造。这一背景下，机械加工领域经过大量研究，逐渐研发出了加工效率与质量更高的零件加工工艺，即五轴联动数控加工技术。但需要注意的是，由于该技术采用了旋转轴，将会导致轴矢量出现突变的问题，在高速加工过程中，很容易使刀具或工件损坏，因而该技术的应用依然不是很广泛。

1 零件模型概况

1.1 零件尺寸

本文研究中，选择了S 形试件作为研究对象，对五轴联动数控加工技术展开了研究。S 形试件是现代机械制造领域常见的工具之一，通过S 形试件的应用，可对机床予以检验，判断机床是否存在缺陷，以免生产出规格不符合要求的零件。S 型检测试件是一个结构较为复杂的零件，共由两部分构成，一个为S 型的缘条，其各区域的厚度完全相同，另一个为矩形基座，用于对缘条的支撑，在基座的上部，包含4 个阶梯孔，用于工件的装夹；包含2 个定位孔，用于安装定位与测量基准，其结构参数如图1 所示。S 形试件加工时，将基座的上表面为Z=0mm 平面，以矩形基准左边的定位孔φ16H9 作为中心，构建出相应的坐标体系。对于矩形基座来说，高度为30mm，且在其4 个角处，预留出1 个阶梯孔。在基座的上方，安装S 型缘条，其厚度为3mm，且与基座间存在一定角度，两者并不垂直。

图1 S 型试件尺寸模型

1.2 建模流程

由于S 型试件结构复杂，使得其建模流程较为烦琐，具体为：登录到相应的建模软件后，向其中录入2 组数据点，每组各50 个，共100 个，其中1 组在Z=0mm 平面上，1 组在Z=40mm 平面上。以此为基础，在各平面内，分别构建出相应的三节样条曲线，之后利用该曲线当作导线，通过直线扫略的方式，构建出直纹面。然后向着X 轴的方向上，将直纹面拉伸3mm，使其厚度增加到3mm，以此得到上部缘条。最后，在软件新建页面内，绘制出基座的模型，并通过布尔求差的方式，在模型适当位置处构建出6 个孔洞，其中，4 个作为阶梯孔，2 个作为定位孔，以此完成整个S 型试件建模工作。

2 数控编程

2.1 加工工艺分析

通过S 型试件模型分析能够发现，缘条和基座之间存在一定的角度，两者并不垂直，属于非直壁零件，因而很难通过三轴机床进行加工处理。基于此，本研究对S 型试件加工时，采用了五轴联动数控加工技术，先构建S 型试件加工流程卡片，并利用含有UG NX 功能的CAM 系统，通过多轴铣削变成的方式，设计出相应的加工刀路轨迹前置指令，构造出AB 双摆头型五轴后置处理器，在前置指令的控制下，即可得到S 型试件数控加工后置G 代码。S 型试件加工时，需要针对试件材料特性，选择最佳的加工方式，设置合理的切削参数。针对本研究所采用的试件来说，选择的是7175-T7451铝合金，其缘条厚度是3mm，是一种薄壁件。另外，在缘条和基座之间存在一定的角度，是非直壁零件。针对该试件的材料特性，结合结构特点，可得到加工流程卡片，其中主要包含4 个环节，分别为坯件粗加工、缘条粗加工、缘条精加工与基准孔加工，如图2 所示。

图2 加工流程卡片图

2.2 刀路轨迹规划

根据该试件加工工艺，可确定出各环节加工内容，设计每个环节的加工方法，选择最佳的加工刀具，具体如表1 所示。

表1 加工内容及刀具的选择

针对UG CAM 的编程步骤，先在软件内，将前期构建的模型打开，并跳转到UG 加工编程界面内。然后以此为基础，结合加工流程，加载毛坯件，并设置相应的参数。

2.2.1 沉头孔处理

对沉头孔处理时，主要由工序1 与工序2 完成。在界面相应的对话框内，录入“drill”，可自动跳转到钻削加工界面。在该界面当中，构建3 把刀模型，分别为：（1）刀具T1，为Spotdrilling-Tool 中心钻，半径为10mm，长度是65mm，作为定位孔的处理工具；（2）刀具T2，为Drilling-Tool 钻刀，半径为10mm，长度是65mm，作为φ20 通孔的处理工具；（3）刀具T3，为Counterboring-Tool 锪刀，半径是16mm，长度是50mm，作为φ32 沉头孔的处理工具。之后，设计工序：选得到中心孔，然后得到通孔，最后得到沉头孔，以此结束该环节的加工工序。

2.2.2 型腔铣

主要由工序3 完成，操作流程为：在型腔铣加工界面内，构建出1 个立铣刀模型，其半径是16mm，圆角半径是3mm。然后设置部件、毛坯等相关参数。针对零件结构特点，设计刀具轨迹，并设置切削方法，即“跟随周边”；添加切削参数，其中，对于底面余量来说，设置成0.5mm，对于侧壁余量来说，设置成2mm；添加进给率参数，设置运行速度，最后点击确定，即可自动得到刀具的轨道控件。

2.2.3 S 型面精加工

该环节是整个S 型试件加工的重点，直接关系到整个试件的加工质量。针对S 性试件的结构特点，可采用多种精加工方法，常见的有下述4 种。

（1）顺序铣。点击“创建”选项，在多轴铣一栏内，点击“顺序铣”，以此跳转到相应编程界面中。在该界面内，构建出立铣刀模型，其半径是10mm；构建安全平面；在“进刀设置”项目内，确定进刀方式，设置相应的参考点，选择相匹配的几何体；在“刀轨运动”项目内，分别构建检查、驱动曲面及部件的表面；结束推刀。（2）外形廓铣。在多轴铣一栏内，点击“轮廓铣”，跳转到相应编程界面中。该界面内，按照第一种方法，构建铣刀模型，构建几何体。之后将基座上表面当做底面，将缘条曲面当作侧壁；在“驱动方式”项目内，选择“外形轮廓铣”；在“刀轴设置”项目内，选择自动模式；在“加工方法”项目内，点击精加工选项。（3）分层外形轮廓铣。以第二种方法为基础，分别选择8 个辅助面，以此通过分层加工的方式，进一步对缘条进行加工处理。（4）分层可变轮廓铣。在多轴铣一栏内，点击“可变轮廓铣”；将缘条表面当作驱动曲面，并在“切削模式”项目内，选择单相，将步距设置成6；在“投影矢量”项目内，点击面向驱动体；在“刀轴模式”项目内，点击侧刃驱动体；其他操作与设置和第一种方式一致。

2.2.4 基座表面与中心孔加工

主要由工序5 与工序6 完成，用于对整个试件加工精确度的测量。进入创建工序界面，在“钻孔模式”一栏内，点击“标准钻孔”，跳转到孔加工界面；构建钻到模型，其半径为8mm；设置基准孔；将安全距离谷值设置成80mm；在“循环类型”项目内，选择标准钻。

2.3 五轴后处理

对于刀位轨迹资料来说，数控机床通常很难识别，无法直接将其应用到S 型试件加工中。与此同时，不同类型机床的内部结构存在差异，连接的数控系统并不相同。所以，在得到刀位轨迹资料后，应予以适当处理，使其变为相应的程序代表，以被数控机床所识别。对于这一过程来说，则是后置处理。本文研究中，采用的是专用后置处理元件，其中，UG/Post Builer 当作开发工具。在后置处理元件内，针对机床类型与特点，对各项参数进行设定。之后以此为基础，将刀路轨迹资料传输到后置处理元件内，自动转变为相应的后置命令。

3 虚拟加工仿真

3.1 构建仿真平台

在数控仿真软件方面，采用的是VERICUT 系统，针对机床的运行特点，结合相关参数的设定，在该系统内，构建出相应的机床模型拓扑结构。在UG 界面内，绘制出各机床的三维模型，并从以此为基础，不断导出各个组块，然后针对拓扑结构特点，将其传输到VERICUT 系统中，设置组件的相关参数，进而得到AB 双摆头五轴联动数控机床模型。得到机床模型后，应将位置、运动模式等初始化处理，以使机床模型处于初始状态。最后，在模型中，录入相应的控制系统，以用于零件加工时的自动化控制。本研究中，选择的是840D 数控软件。

3.2 NC 后置程序验证

在“项目树”一栏内，选择“坐标系统”，以构建出新坐标系；在坐标系内，点击“Stock（0,0,0）”，选择400×200×40mm 的矩形块，以此得到毛坯模型；点击“Design（0,0,0）”，导入试件的模型；右键点击“加工刀具”，选择“刀具管理器”，之后依次点击“添加”“刀具”“新”“铣削”，由此构建出6 把刀具；点击“程序”一项，载入转化后的后置指令；在“项目上述”一栏内，点击“工位：1”，选择“G-代码”，以跳转到“径向刀具补偿”列表内，并设定相应的参数；选择“G-代码偏置”，设置坐标系。之后点击“保存”，并选择“启动”，机床则自动完成S 型试件加工操作。

3.3 模型误差对比

通过该方式对S 型试件加工时，并未出现过切或少切的问题，且整个加工过程中，并未出现碰撞，由此表明，该加工技术就有较好的应用效果。为了进一步了解不同S 型面精加工方法的精确性，本文还分别将上述介绍的四种方式录入仿真软件内，并分解进行了试件仿真加工分析。通过对四个分析模型的观察可以发现，采用第一种方法时，在S 型试件表面内，出现了大量圆形框，且面积很大，表明其存在很大的误差；采用第二种方法时，也出现了较大面积的圆形狂，表明其误差也较高。而采用后两种方式时，圆形框的面积非常小，尤其是第三种方式，圆形框的面积可以忽略不计，由此表明，第三种方式的加工精确性最高。

4 切削试验

按照上述流程，以第三种S 面精加工方法为主，采用7075-T7451 铝合金制作出了S 型试件，在试件缘条上，分别于10mm、22.5mm 与30mm 位置处，设置3 条截取线，并按照相同的间距，设置25 个检测点，之后以此为基础，通过与理论模型的比较，推导出各点位的法向误差。最后，通过可视化技术手段，将法向误差结构投射到S 型试件表面上，利用不同的灰度值，对误差情况进行区分，表面越明亮，所存在的正误差值越高，反之，负误差值越高。通过试验结果观察能够发现，对于本文介绍的五轴联动数控加工技术来说，反向误差较小，处于±50μm 范围内，符合规定要求。

5 结语

综上所述，五轴联动数控加工技术是现代机械加工领域较为常见的零件加工方式，利用该技术不仅可以快速完成复杂零件的加工处理，而且还提升了零件加工的精确度，误差控制在±50μm 范围内，符合规定要求，因而可将其推广到复杂零件加工中。