五軸加工中心加工復雜零件案例分析

吳衛(wèi)江

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學校，廣東 韶關(guān) 512026）

五軸加工中心加工復雜零件案例分析

吳衛(wèi)江

（廣東省核工業(yè)華南高級技工學校，廣東 韶關(guān) 512026）

對五軸加工進行概述，分析了其在復雜零件加工中的優(yōu)勢，并以小轎車模型為例，分析了五軸數(shù)控加工技術(shù)的實際應(yīng)用及效果。

五軸數(shù)控加工；小轎車；優(yōu)勢

1 五軸加工概述

當前，隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)成為當代制造業(yè)的主要設(shè)備，數(shù)控技術(shù)是提高制造水平的保障，傳統(tǒng)的加工技術(shù)正在逐漸被數(shù)控技術(shù)替代，數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)成為一個國家先進制造業(yè)的保障。五軸聯(lián)動加工中心則是當前數(shù)控機床的最高水平，但是由于制造業(yè)的發(fā)展水平有限，我國的高端數(shù)控加工設(shè)備和先進發(fā)達國家相比還有差距。因此，在多軸聯(lián)動加工軟件平臺和數(shù)據(jù)庫開發(fā)方面，需要進一步進行研發(fā)。

和傳統(tǒng)的三軸加工技術(shù)相比，五軸加工技術(shù)對零件進行加工時，采用機床5 個坐標軸，分別為X、Y、 Z3個坐標軸和任意 2個旋轉(zhuǎn)軸。其中，繞X、 Y、Z的旋轉(zhuǎn)軸分別稱為A、 B、C軸， 其余為A、 B、C中的任意2個自由度。五軸數(shù)控加工主要應(yīng)用在輪船、水電水利、航空航天等高端產(chǎn)品的核心部件制造，其應(yīng)用非常廣泛，比如制造水利水電設(shè)備中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子，汽車發(fā)動機中的渦輪及模具，這些核心部件對產(chǎn)品的質(zhì)量和性能直接產(chǎn)生影響。當前，西方裝備制造業(yè)較發(fā)達，五軸聯(lián)動加工中心的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，并且加工精度也越來越高，因此，為了提高我國的制造業(yè)加工水平，開展五軸加工技術(shù)的研究十分重要。

2 五軸加工復雜零件優(yōu)勢

在復雜零件加工過程中，五軸加工具有以下優(yōu)勢：（1）采用五軸加工技術(shù)通過一次裝夾零件可以完成零件的大部分加工，縮短了加工時間和零件制造周期，并且降低了工作人員的工作量。（2）在復雜零件加工過程中，利用刀具的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)零件的切削，由于采用不同的切削原理、刀具與被加工工件的接觸角度不相同，導致工件的加工質(zhì)量和切削結(jié)果也不相同。使用五軸加工技術(shù)可以使加工中心刀軸和被加工零件保持垂直定位狀態(tài)， 零件角落可實現(xiàn)完全加工，和三軸加工相比，縮小了被加工零件的殘留余量，采用平面光刀的切削方式可以實現(xiàn)被加工零件和刀具的面接觸，延長了刀具的使用時間，而且，刀路之間不會出現(xiàn)“殘高”的現(xiàn)象，使零件加工表面十分平整、光潔，只需進行簡單拋光即可達到預(yù)期要求。（3）由于在零件加工過程中，刀具高速旋轉(zhuǎn)，為了保證零件的加工精度，防止刀具加工過程中出現(xiàn)振動的現(xiàn)象及發(fā)生過切的現(xiàn)象，要求刀具具有一定的長徑比（長度與直徑的比值），但是如果采用五軸加工，則可以保證零件的加工精度，并且不對刀具的長徑比做出要求。四是，減少零件加工過程中的電極數(shù)量。進行模具零件加工時，使用五軸加工可以有效地減少電極數(shù)量。這是因為電極的主要作用是清根，在采用三軸加工對一些較深的型腔圓角處無法加工到位時才會使用電極清跟。如果采用五軸加工，加工比較完全并且加工的零件精度高，且流程十分簡單，降低電極使用數(shù)量。

3 五軸加工案例分析

以小轎車模型加工為例，對五軸加工進行分析。加工的小轎車模型尺寸為500mm×295mm×200mm，加工曲面為NURBS曲面，加工材料為一種樹脂合成材料——代木。小轎車三維模型見圖1。

在加工過程中選用SKY-5L16075型轉(zhuǎn)臺+擺頭式五聯(lián)動高速加工中心和數(shù)控系統(tǒng)SKY2006N（專用于多軸聯(lián)動的機床控制）。分析機床結(jié)構(gòu)和加工工藝之后，制作汽車模型加工夾具，制作的夾具如圖2所示，采用強力拉緊螺釘將小轎車牢固固定在夾具上。加工刀具和加工參數(shù)需要根據(jù)汽車模型的尺寸大小和加工精度等選擇判定，在本次加工中刀具的選擇如下：圓角立銑刀（圓角半徑1mm、直徑10mm），圓角立銑刀（圓角半徑4mm、直徑為6mm）、球刀（直徑16mm），刀柄選用熱膨脹結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

圖1 小轎車三維模型

圖2 汽車模型的制作夾具

在五軸聯(lián)動的自動編程通常采用CAD/ CAM軟件來實現(xiàn)，本次研究中五軸加工程序采用Unigraphics 編程軟件的CAM部分實現(xiàn)。編寫程序時，先制作驅(qū)動曲面，并且制作的驅(qū)動曲面要盡可能簡單。制作驅(qū)動曲面后，編制數(shù)控加工程序如下：（1）粗加工程序。采用Unigraphics 加工模塊中的3+2 軸（固定五軸）功能實現(xiàn)小轎車的編程，使用刀具從工件的不同方向進行加工，確保粗加工完成之后去除大面積材料。加工參數(shù)如下：Mill_ contour(型腔銑-粗加工)，加工刀具為圓角立銑刀，其直徑16mm、圓角半徑為4mm、公差為0.1mm，余量為3mm。（2）半精加工程序。采用Mill_ multi_axis（多軸加工-半精加工）加工策略，加工刀具選用直徑10mm、圓角半徑為1mm的圓角立銑刀，公差為0.03mm、余量為1mm，去除工件殘留量。（3）精加工程序。采用Mill_multi_axis（多軸加工-精加工）加工策略，加工刀具為直徑6mm的圓角立銑刀，公差為0.005mm、余量為0mm。

根據(jù)小轎車模型的具體加工要求，在加工過程中合理設(shè)置驅(qū)動曲面相關(guān)參數(shù)如切削方式、刀位點的運動軌跡等，并根據(jù)SKY-5L16075型數(shù)控機床的要求等對加工程序進行編寫。由于在加工程序編制中，刀軸的控制為難點，因此，需要在加工過程中通過驅(qū)動曲面對刀軸的連續(xù)變化進行控制。

程序編寫完成之后，建造多軸后置處理。多軸后置處理需要根據(jù)機床的數(shù)控系統(tǒng)指令格式、數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)的運行特點等采用軟件Unigraphics實現(xiàn)后置處理，進入該軟件的后置處理構(gòu)造器，設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，構(gòu)造完成后將其保存，見圖3。同時將編制好的刀位程序根據(jù)后置處理轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床能夠讀取的標準G代碼。為了確定編寫的程度是否符合加工要求，通常在實際加工之前對編寫程序進行仿真研究。完成全部程序編制之后，在Unigraphics中構(gòu)建與實際結(jié)構(gòu)一致的轉(zhuǎn)臺+擺頭式五軸聯(lián)動數(shù)控機床，在軟件中進行模擬加工。

圖3 后置處理的構(gòu)造

模擬加工完成之后進行機床實際加工。將夾具安裝在轉(zhuǎn)臺上，再把小汽車固定在夾具上。在機床的操作中選用 G55定位標準，根據(jù)上文所述設(shè)置粗加工、半精加工、精加工等參數(shù)，編制的程序能夠?qū)崿F(xiàn)一些倒扣曲面的加工，加工精度達到0.01mm。

4 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，五軸加工技術(shù)的應(yīng)用也會越來越廣泛，此外，要加大科研投入，促進五軸加工技術(shù)的發(fā)展，使其加工更加精確。

[1]郭生濤.五軸加工中心在汽車模具制造中的應(yīng)用[J].金屬加工，2013(10):25～26.

[2]楊晗.基于 UG和 VERICUT整體葉輪數(shù)控加工與虛擬仿真的研究[J].制造技術(shù)與機床，2013(6):61～64.

[3]高雯. 五軸加工中心在模具加工中的應(yīng)用[J]. 科技傳播，2014,19:213+178.

TG547

A

1671-0711（2017）01（下）-0182-02