五軸數(shù)控技術(shù)在多維曲面零件加工的應(yīng)用

0 引言

　　多維曲面零件是切削加T的一個(gè)難點(diǎn)，除了要求應(yīng)用多軸機(jī)床之外，多軸編程技術(shù)是其中的關(guān)鍵，合理地設(shè)置加工刀路是零件表面精度及尺寸精度的重要保證。本文以人的頭像加工為例，論述和分析了五軸切削對(duì)多維曲面零件加工的實(shí)際應(yīng)用。

　　頭像是多軸數(shù)控加工一類典型的產(chǎn)品，具體見圖1所示，針對(duì)該產(chǎn)品曲面多而復(fù)雜，表面質(zhì)量、尺寸精度要求高等特點(diǎn)，在加工工藝上采用三軸加工開粗、五軸聯(lián)動(dòng)精加工相結(jié)合，配合程序優(yōu)化的思路，來提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量和加工效率。

圖1頭像的模型 

1 頭像加工工藝分析

　　1.1 模型分析(如圖1所示)

　　本次試做工件的材料為硬鋁。頭像的主要尺寸為：最大的直徑為?100mm。最小圓角半徑為0.6mm，人像的圓柱形輪廓尺寸100mm×100mm。

　　由于頭像本身屬于復(fù)雜曲面零件，同時(shí)設(shè)計(jì)要求精度達(dá)到IT7，表面光潔度達(dá)Ra1.6。其面部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在耳朵、眼睛、嘴巴附近有多個(gè)小曲面，曲面的最小寬度只有1-2mm，這對(duì)刀具的要求很高，這種曲面只能采用直徑1mm的刀具。由于刀具直徑小，為了避免斷刀或粘刀。在實(shí)際加工過程中要求切削深度不能太大，采用少切削量，高轉(zhuǎn)速加工，同時(shí)進(jìn)給速度不能過快。

　　1.2加工工藝分析

　　在刀路編制過程中為了使刀路更加流暢，選用三軸加丁進(jìn)行零件的粗加工，精加工則選擇五軸聯(lián)動(dòng)的加工方法，使切削過程更加連續(xù)，減少抬刀次數(shù)。保證加工質(zhì)量。

　　由于粗加工采用三軸的加工方法。因此需先分析零件在加工方向上的刀具干涉問題。其中采用UG軟件的模具分析功能：通過各個(gè)方向的分析可見，每個(gè)方向都存在刀具干涉的問題，但通過對(duì)各個(gè)方向的輪流加工，可以避免刀具干涉的問題解決，也就是說當(dāng)采用五個(gè)方向加下的話，可以將該人像零件的整個(gè)輪廓都可以粗加工到位。

圖2刀具干涉分析結(jié)果 

　　因此確定頭像的粗加工流程：采用五面加工。即為前側(cè)面、后側(cè)面、左側(cè)面、右側(cè)面和頂面的五個(gè)面加工。

　　1.3 加工的設(shè)計(jì)過程：

　　1.3.1 建立加工所徭要的模型．包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備坯料和CAD文件。

　　1.3.2設(shè)計(jì)加工所需要的數(shù)據(jù)及加T操作環(huán)境，包括選擇加工機(jī)床(選用五軸機(jī)床)、加工坐標(biāo)系(五軸機(jī)床，包括3個(gè)移動(dòng)軸和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸)、設(shè)計(jì)夾具，挑選加工刀具(平底刀，球頭月)、設(shè)定加工參數(shù)、加工方法(采用曲面加工)等。

　　1.3.3加工程序設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)加工方式)，刀具路徑設(shè)計(jì)產(chǎn)生加工刀具路徑數(shù)據(jù)，后處理程序(經(jīng)由后處理程序進(jìn)行加T參數(shù)的轉(zhuǎn)移)，NC—CODE(輸出五軸機(jī)床及控制器所需的機(jī)器碼并進(jìn)行加工過程)。

2 頭像的程序編制

　　2.1 整體加工刀路規(guī)劃和裝夾

　　五軸數(shù)控粗加工時(shí)。首先以頭像的底面為裝夾面．對(duì)頭像依此繞C軸旋轉(zhuǎn)90度加工4個(gè)側(cè)面，4個(gè)側(cè)面加工完工后再繞A軸旋轉(zhuǎn)90度加工頂面。人像面部的精加工分2步走，先用4軸加工方式進(jìn)行半精加工，再進(jìn)一步五軸加工方式精加工頭像頂面與面部上的小曲面(耳朵，眼睛，嘴巴)，以保證整個(gè)加工質(zhì)量及表面精度。具體如圖3所示。

圖3頭像加工流程 

　　2.2 刀路編制過程

　　2.2.1五面粗加工刀路設(shè)計(jì)(左側(cè)面，右側(cè)面，前側(cè)面，后側(cè)面，頂面)

　　選擇加工方式：制造模塊→mill→contour→'cavity_mill→生成。

　　設(shè)置刀具參數(shù)：選擇直徑為10mm瑚的平底刀，進(jìn)給率設(shè)置為踟800mm/mian，z軸進(jìn)給率為400mm/min，提刀速率為3000mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為500r/min。

　　設(shè)置加工參數(shù)：參考高度(即安全離度)為5mm，下刀位，為3mm，留余量0.3mm。

　　設(shè)置粗加工參數(shù)：步進(jìn)值為刀具半徑50%，每層切深為0.35mm，切削層深度為-36mm。逆銑，選擇沿外形下刀，斜角5度。切削走刀方式設(shè)定為跟隨工件。

　　形成刀路如圖所示。

　　a)右側(cè)面救加丁刀路設(shè)計(jì)(刀軸為+X)

　　其他側(cè)面的刀路則通過更改機(jī)床的刀軸方向。更新刀路生成

　　b)左側(cè)面粗加工刀路設(shè)計(jì)(刀軸為-X)

　　c)前側(cè)面粗加工刀路設(shè)計(jì)(刀軸為+Y)

　　d)后側(cè)面栩加工刀路設(shè)計(jì)(刀軸為-Y)

　　e)頂面刀具路徑設(shè)計(jì)(刀軸為+Z)

　　2.2.2 半精加工刀路設(shè)計(jì)

　　選擇加工方式：制透摸塊→miu mulii -axis→rerinhle_canlour→選擇裂動(dòng)面→生成。

　　設(shè)置刀具參數(shù)：選擇直徑為4r2的球頭刀，進(jìn)給率為300mm/min，軸進(jìn)給率為150mm/min，提刀速率為3000/mm/min，主軸轉(zhuǎn)逮為7000r/min。

　　設(shè)置曲面加工參數(shù)：參考高度(即安全高度〕為5mm，下刀位置為3mm。

　　設(shè)置粗加工參數(shù)：步進(jìn)值為殘余波峰高度0.005mm。刀軸方向相對(duì)于驅(qū)動(dòng)面，逆銑。進(jìn)刀方式：采用固定的間隙逼近。半徑為3mm的隴弧入刀。與切削方向平行。切削創(chuàng)走刀方式設(shè)定為螺旋線，雙向走方。

　　2.2.3 精加工刀路設(shè)計(jì):

　　選擇加工方式：制選模塊→mill→contour→cavity_mill→生成。

　　設(shè)置刀具參數(shù)：選抒直徑為4r2的球頭刀，進(jìn)給率籠為300mm/min，主軸進(jìn)給率為150mm/min，提刀速率為3000mm/min，主軸轉(zhuǎn)迷為7000mm/min。

　　設(shè)置曲面加工參數(shù)：參考高度(即安全高度〕為5mm，下刀位置為3mm。

　　設(shè)置粗加工參數(shù):步進(jìn)值為刀具半徑5mm,每層切探為0.05mm

　　設(shè)置粗加工參數(shù)：步進(jìn)值為刀具半徑的50%，每層切深為0.05mm。切削層深度為-10mm，逆銑，選擇沿外形下刀，斜角5度。切削走刀方式設(shè)定為跟隨工件。

　　2.2.4 局部精修刀路設(shè)計(jì):

　　分兩步加工:首先是雙眼與嘴巴，然后是耳朵。

　　a)眼口部分加工，報(bào)據(jù)與頭像相似的外輪廓，新建一個(gè)球頭的圖柱體作為精加工的驅(qū)動(dòng)面(7)，可以使刀軸更好的與頭像輪廓接觸。加工更加到位。

　　選擇加工方式：制造摸塊→mill_multi-axis→vareable_contaur→選擇驅(qū)動(dòng)面→生成

　　設(shè)置刀具參數(shù)：選擇直徑為4r0.5的球頭，進(jìn)給率設(shè)置為200mm/min，Z軸進(jìn)給率為100mm/min，提刀速率為3000mm/min，上軸轉(zhuǎn)速為8000r/min。

　　設(shè)置曲面加工參數(shù)：參考高度(即安全高度)為5mm,下刀位置為3mm。

　　設(shè)置精加工參數(shù)：步進(jìn)值殘余波峰高度0.005mm。曲面百分比為30-80，步長(zhǎng)為10-40軸方向?yàn)橄鄬?duì)千馭動(dòng)面，順銑，選擇進(jìn)刀方式：遙近方式采用固定的間隙。選擇半徑為3mm的圓弧入刀，與切削方向平行。切削走刀方式設(shè)定為平行線，雙向走刀。

　　b)右耳部分加工：報(bào)據(jù)耳朵的實(shí)際輪廓，在不產(chǎn)生刀具干涉問題的方向上建立新的工件坐標(biāo)系。然后以該坐標(biāo)系進(jìn)行刀具路徑編制。

　　選擇加工方式：制透摸塊→mill_contour→contour→選擇加工曲面→生成。

　　設(shè)置刀具參數(shù)：選抒直徑為1r0.5的球頭刀，進(jìn)給率為200mm/min，Z軸進(jìn)給率為100mm/min，提刀速率為3000mm/min，主軸轉(zhuǎn)迷為8000mm/min。

　　設(shè)置曲面加工參數(shù)：參考高度(即安全高度〕為5mm，下刀位置為3mm。

　　設(shè)置粗加工參數(shù)：步進(jìn)值為0.01mm,選擇為0.005mm。切削層深度為-36mm。刀軸方向?yàn)橄鄬?duì)于驅(qū)動(dòng)面。順銑，選擇進(jìn)刀方式：手工半徑3mm圓弧入刀，與切削方向平行。切削走刀方式設(shè)定為跟隨工件，雙向走刀。

　　左耳刀具路徑采用變換鏡像復(fù)制的方式生成.

3 產(chǎn)品效果分析

　　根據(jù)以上刀具路徑進(jìn)行編程，加下出以下頭像產(chǎn)品，加工時(shí)間約為120min，精度達(dá)到IT7 ,表面粗糙度為Ra1.6(圖8)

4 結(jié)束語(yǔ)

　　通過對(duì)頭像多軸數(shù)控加工方法及工藝的研究，表明采用CAD設(shè)計(jì)和CNC數(shù)控加工的制造方式，可加工多曲面，蘭軸加工中存在刀具干涉的零件，并且可以保證較高的質(zhì)量、精度。同時(shí)多軸零件的加工應(yīng)充分考慮加工的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的加工刀路設(shè)置，并采用三軸方式粗加工，五軸方式精加工的工藝方案來提高零件的加工效率。 

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