蜘蛛模型三軸數(shù)控銑加工工藝

葉康智 黃麗源 傅一渠

廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510550

1 引言

蜘蛛模型是加工難度較高的產(chǎn)品，通常需要五軸加工中心才可以完成。由于五軸機(jī)床價(jià)格昂貴且尚未普及，所以在沒有五軸加工中心設(shè)備情況下，通過分析蜘蛛模型的三軸數(shù)控銑加工工藝，從而完成模型加工。其中包括工藝裝夾方案，工藝順序，刀柄和刀具的選擇，切削三要素的確定等。確定方案后，再采用UG8.5軟件對(duì)蜘蛛模型進(jìn)行編輯輔助曲線和曲面，編輯加工刀路進(jìn)行二維和三維仿真加工，確保刀路軌跡無(wú)問題再進(jìn)行NC代碼后處理，最后進(jìn)行上數(shù)控銑床加工。圖1為蜘蛛的3D模型。

圖1 蜘蛛3D模型

2 蜘蛛模型分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)分析 蜘蛛3D模型的整體外形尺寸為153mm*114mm*46.5mm，整個(gè)模型都是曲面，由蜘蛛身體、八只腳和兩根觸須組成一體。整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高，關(guān)節(jié)處最小尺寸不足1mm，屬于細(xì)小復(fù)雜多軸產(chǎn)品，而且該產(chǎn)品是工藝品類，表面粗糙度要求高。

2.2 加工難點(diǎn)分析 該模型無(wú)論是編程和加工難度都很高，考慮的東西很多，對(duì)工藝編制是一個(gè)很大的考驗(yàn)，同時(shí)產(chǎn)品很多部位太過細(xì)小，加工難度不低于薄壁件。該模型的難度在于模型部位特征太過于細(xì)小和裝夾。雖然整體的模型尺寸很大，但是由于模型的特殊性，仍有很多部位細(xì)小，加工過程易變形。多次裝夾加工接刀位置很容易產(chǎn)生較大的接痕，粗糙度、精度更加無(wú)法保證。模型結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，自身全是曲面，完全沒有任何可以用于夾持部分，也沒有任何部位可以用來(lái)定位的部分，所以必須考慮工藝裝夾。必須選擇足夠大的毛坯，同時(shí)借助模型外材料邊框定位，蜘蛛模型的腿部和觸須末端與邊框相連，保證強(qiáng)度。

2.3 加工注意事項(xiàng) 蜘蛛模型屬于復(fù)雜產(chǎn)品，工藝步驟較多，加工時(shí)需要注意很多東西，一旦出現(xiàn)任何問題都會(huì)導(dǎo)致加工失敗。首先要注意的是裝夾，避免加工完第一步就無(wú)法進(jìn)行下一步，編制工藝一定要考慮下一步加工內(nèi)容，考慮好整體步驟流程。第二需要考慮好刀柄和刀具，根據(jù)模型確定好使用的刀柄類型、大小和型號(hào)，以及確定好使用的刀具以及裝刀長(zhǎng)度。既要保證刀長(zhǎng)足夠加工，不能因?yàn)榈毒卟粔蜷L(zhǎng)而刀柄導(dǎo)致撞到工件，又要考慮刀具的強(qiáng)度，不能裝夾過長(zhǎng)容易斷刀和過于震動(dòng)使得工件過切。第三需要注意填充物的選擇和使用，充分考慮好是否會(huì)變形以及能否加工完成清除干凈，以及強(qiáng)度能否達(dá)到加工要求等

3 蜘蛛模型的三軸加工工藝設(shè)計(jì)

3.1 整體加工工藝方案 根據(jù)蜘蛛模型結(jié)構(gòu)，采用三軸數(shù)控銑加工至少通過三次裝夾才可以完成，刀軸方向分別從蜘蛛垂直背面方向、垂直底部方向和頭部指向尾部方向。其中第一、二次裝夾可完成絕大部分加工內(nèi)容，第三次裝夾主要清除觸須根和頭部余量。首先通過UG軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)邊框用于裝夾加工，確定好擺正與模型相對(duì)位置，確定好相應(yīng)的刀具量具，確定好加工順序，先加工背部一面，再加工底部一面，最后加工頭部一面，每一次裝夾加工后需要做好第下一次裝夾的定位。

3.2 設(shè)備、材料和工具等選擇 根據(jù)加工所需和現(xiàn)有的條件，加工設(shè)備選用寶雞VMC850三軸加工中心，配置系統(tǒng)為廣州數(shù)控GSK983系統(tǒng)。由模型大小而設(shè)定的邊框可選擇材料為200mmX150mmX60mm鋁塊(精料)，飛刀D16R0.8；白鋼銑刀D20、D12、D10、D8、D6、D4；鎢鋼球刀R4、R3、R2、R1.5，電腦(裝有UGNX7.5軟件)、U盤、平口鉗，百分表，分中棒，對(duì)刀儀、卡尺，電動(dòng)打磨機(jī)、砂紙，銼刀、石膏粉等等。

3.3 裝夾方案 第一次裝夾直接采用平口鉗將鋁塊長(zhǎng)邊朝向機(jī)床X軸方向夾緊，夾緊高度為20mm。第二次裝夾時(shí)，需要在加工好第一面時(shí)填充好石膏，并且加工好外形用于裝夾。第二次裝夾則直接反面掉頭，夾緊已經(jīng)加工好外形面即可。第三次裝夾時(shí)，頭部朝上，夾緊已經(jīng)加工好的正反面，采用石膏填充好，以免加工時(shí)變形損壞，加工完成后再清除。如圖2為裝夾工藝方案。

圖2 裝夾工藝方方案

4 程序編制過程

4.1 工序步驟 第一面加工的步驟和切削參數(shù)基本上與第二面相似，主要不同的是第二面開粗時(shí)不能使用大刀開粗，避免切削力過大而過切。第三面加工量不多，步驟比第一、二面的少，但也包含開粗、半精加工、精加工等多個(gè)步驟。

4.2 程序編制 使用UG8.5軟件進(jìn)行刀路軌跡編輯，第一步建立好坐標(biāo)系，三次加工的編程坐標(biāo)零點(diǎn)都設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的工件中心上表面，加工時(shí)工件坐標(biāo)系也設(shè)為與編程重合；然后設(shè)置好刀具、刀夾等幾何參數(shù)和刀具干涉檢查，最后再對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行軌跡編輯。開粗采用型腔銑，清角和清理殘留余量采用剩余銑，半精加工使用深度輪廓銑和固定軸輪廓銑，精加工使用固定輪廓銑。

5 加工過程

5.1 仿真操作 由于模型過于復(fù)雜，上機(jī)床加工前必須通過仿真，避免程序出錯(cuò)導(dǎo)致加工出現(xiàn)問題。仿真使用UG8.5軟件自帶仿真模塊，主要是查看加工順序有無(wú)欠切、碰撞、過切等問題，也可以對(duì)刀具裝夾長(zhǎng)度進(jìn)行粗略驗(yàn)證。經(jīng)過仿真后沒有發(fā)現(xiàn)刀路問題，模擬加工出來(lái)的效果比較理想，可進(jìn)行按順序后處理出NC代碼進(jìn)行加工。

5.2 數(shù)控銑操作與加工 X、Y軸使用分鐘棒四面分中，Z軸除第一把基準(zhǔn)刀直接試切外，其他均使用使用對(duì)刀儀對(duì)刀。然后按照工藝步驟對(duì)應(yīng)程序依次調(diào)出程序加工即可，完成第一面后進(jìn)行石膏填充，等待石膏完全凝固并且冷卻后才拆下工件。之后進(jìn)行第二面加工，加工完畢后再次填充石膏。最后加工頭部的第三面，三次裝夾加工后去除石膏即可。

5.3 產(chǎn)品質(zhì)量分析 加工好的蜘蛛模型如圖3所示，總體上已經(jīng)加工到位，光潔度也滿足要求，只有少許部位曲面夾角過小的地方無(wú)法進(jìn)刀導(dǎo)致有些清根不到位。即使更換更小的刀具或者使用五軸設(shè)備加工也無(wú)法完全清理到位的。兩次裝夾接刀的部位有輕微的接刀痕，但是完全不影響美觀?？偟膩?lái)說(shuō)，蜘蛛模型是能夠通過改善工藝使用三軸加工出來(lái)的。

圖3 加工效果

6 結(jié)語(yǔ)

以上詳細(xì)論述了蜘蛛模型整個(gè)工藝設(shè)計(jì)和制作過程中，加工出來(lái)的實(shí)物雖然仍有極少余量未能清理，多次裝夾也會(huì)導(dǎo)致誤差的累積使得精度會(huì)低于五軸軸加工中心一次裝夾加工出來(lái)的產(chǎn)品，但是已經(jīng)和五軸加工出的產(chǎn)品效果很接近，已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的效果。試驗(yàn)證明，蜘蛛模型不僅僅可以通過五軸加工中心完成，也可以通過改變加工方法和合理安排工藝路線等在三軸數(shù)控銑床上完成。