五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)不僅代表著一個機械制造企業(yè)的發(fā)展水平，更代表著一個國家機械制造工業(yè)的發(fā)展水平[1]。在先進機械制造技術(shù)領(lǐng)域中，五軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)是其中的重要組成部分，也是重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，同時也是加工技術(shù)中難度最大的。對于性能要求高、復雜的幾何外形而言，利用五軸聯(lián)動數(shù)控機床不僅可以保證加工的質(zhì)量，還可以提高生產(chǎn)效率[2]。 

　　通過研究，將五軸數(shù)控CAM技術(shù)應(yīng)用到汽車鋁合金輪轂拋光加工工藝中，并研發(fā)設(shè)計、制造出針對汽車鋁合金輪轂拋光加工的五軸數(shù)控機床。目前，國內(nèi)生產(chǎn)汽車輪轂的企業(yè)較多，但是還沒有先進可靠的輪轂數(shù)控拋光設(shè)備，各大輪轂生產(chǎn)廠家不得不引進價格昂貴的多軸數(shù)控拋光機床和專用數(shù)控拋光加工軟件。從鋁合金輪轂成形工藝方法來講，關(guān)鍵工序包括鑄造或者鍛造成形、旋壓成形、機械加工、表面拋光等。該技術(shù)的研發(fā)可以滿足國內(nèi)鋁合金輪轂拋光加工技術(shù)的需要，對實現(xiàn)數(shù)字化、智能化輪轂拋光加工具有重要意義。 

　　隨著國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控加工設(shè)備也在不斷完善。兩軸半、三軸的加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了較先進的水平，國內(nèi)也可以制造出這樣的加工設(shè)備，并且在機械加工領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，而多軸數(shù)控加工技術(shù)還處于提高階段，重點研究的內(nèi)容包括加工工藝方法和機床后置處理技術(shù)，對于多軸數(shù)控設(shè)備而言需要多元化應(yīng)用?；谖遢S數(shù)控技術(shù)實現(xiàn)輪轂多軸拋光加工是在技術(shù)上和應(yīng)用上的一種創(chuàng)新，擴展了五軸數(shù)控機床的應(yīng)用范圍。對于目前輪轂拋光加工這項技術(shù)來講，還是完全依靠人工手動拋光、人工利用機器半自動化拋光加工，這不僅需要大量的人力、物力，同時降低了生產(chǎn)效率，拋光加工質(zhì)量難以保證，對于外形尺寸較大的輪轂而言還需要多人配合完成，因此，鋁合金輪轂拋光加工利用五軸數(shù)控拋光機床來實現(xiàn)是十分必要的。 

　　在五軸數(shù)控拋光機床設(shè)計過程中，重點研究的內(nèi)容包括機床的結(jié)構(gòu)形式和運動特性。結(jié)構(gòu)形式主要包括拋光機床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、拋光刀具設(shè)計、裝夾工作臺設(shè)計等；拋光機床的運動特性是在傳統(tǒng)的3個聯(lián)動坐標軸X 、Y 、Z 的基礎(chǔ)上增加了刀具繞Y 軸旋轉(zhuǎn)和工作臺繞軸旋轉(zhuǎn)。加工過程中，機床主軸和工作臺5個坐標軸同時做線性插補，使刀具按要求的空間軌跡運動，能保持最佳的加工狀態(tài)并有效避免刀具干涉。輪轂表面的拋光加工技術(shù)不同于普通的數(shù)控銑削加工，主要是在刀具設(shè)計上發(fā)生改變，如在五軸數(shù)控拋光機床刀具選擇上利用布輪。布輪的外形結(jié)構(gòu)可以改變，如通過主軸的高速旋轉(zhuǎn)帶動布輪也作高速旋轉(zhuǎn)運動。當布輪外輪廓與輪轂表面相接觸時，就會產(chǎn)生高速摩擦，使得輪轂表面連續(xù)不斷地進行打磨，再加上拋光液的作用，就可以使得輪轂表面具有很好的光澤效果。整個運動過程需要NC程序控制。利用五軸數(shù)控拋光機床來完成加工是一項新型的加工方法，與傳統(tǒng)的拋光加工技術(shù)相比，它具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省能源、降低勞動強度和提高經(jīng)濟效益等優(yōu)點。由于拋光布輪具有柔軟性，接觸時具有收縮性，加工時安全性較高，容易實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)拋光，可以獲得較高的表面質(zhì)量。 

　　實現(xiàn)五軸數(shù)控拋光CAM技術(shù)，并且得到準確的機床加工程序需要解決以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。 

　?。?）幾何建模。利用建模軟件完成三維的鋁合金輪轂創(chuàng)建，建模軟件常用的包括CATIA、UG、Pro/Engineer等。 

　?。?）制定加工工藝方案。在數(shù)控加工技術(shù)中，加工工藝起著關(guān)鍵作用，合理的加工工藝可以提高工件的加工質(zhì)量，還可以提高生產(chǎn)效率[3]。鋁合金輪轂拋光加工工藝的選擇主要包括加工路線、選擇刀具、控制刀軸方式、主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等。 

　?。?）刀具軌跡生成。根據(jù)加工工藝要求生成合理的刀具加工軌跡，滿足無干涉、無碰撞、節(jié)省刀具運行時間、提高加工效率的要求。對于鋁合金輪轂曲面模型而言，需要利用CAM編程軟件實現(xiàn)刀具軌跡生成，并且得到刀位數(shù)據(jù)文件。 

　　（4）加工軌跡仿真。在CAM編程軟件中生成刀具加工軌跡以后，要針對實體進行刀具加工軌跡確認，驗證刀位數(shù)據(jù)對于通過后置處理轉(zhuǎn)換的數(shù)控加工程序是十分必要的，特別是在多軸加工編程中，其作用更為明顯。這樣可以有效地避免加工程序在加工過程中有可能會出現(xiàn)過切與碰撞等問題[3-5]。 

　?。?）后置處理。拋光機床后置處理程序是根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)形式和運動變換特點，通過計算得到的后置處理坐標轉(zhuǎn)換公式，將在刀具軌跡生成過程中所產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成拋光機床的數(shù)控加工程序。準確的后置處理可以保證加工程序的準確性，提高加工效率，保證加工質(zhì)量，還可以提高機床運行過程中的可靠性能[6]。五軸數(shù)控拋光機床后置處理程序具有唯一性。 

　?。?）NC程序仿真。為保證實際加工過程的穩(wěn)定性、安全性，需要對后置處理轉(zhuǎn)換得到的G代碼指令進行驗證，在Vericut數(shù)控仿真軟件中建立實際加工環(huán)境，模擬實際加工過程。 

　　鋁合金輪轂表面的拋光加工技術(shù)在輪轂生產(chǎn)中越來越重要，利用數(shù)控加工代替人工手動操作只是轉(zhuǎn)變的開始，將來要建立數(shù)字化、智能化的拋光生產(chǎn)線，建立數(shù)字化在線檢測技術(shù)，在不同機床之間還要建立智能化機器手搬運。因此，將五軸數(shù)控加工理論應(yīng)用到鋁合金輪轂拋光加工中，對實現(xiàn)數(shù)控拋光加工具有重要意義。

五軸數(shù)控拋光機床 

　　五軸聯(lián)動數(shù)控拋光機床合理地實現(xiàn)了多軸加工的理念，在傳統(tǒng)的三軸基礎(chǔ)上增加了刀具擺動與工作臺旋轉(zhuǎn)，即刀具繞著軸擺動，工作臺繞著Y 軸旋轉(zhuǎn)。 

　?。?）拋光機床坐標系。對于數(shù)控拋光機床而言，先要確定Z 軸，然后再確定X 軸和Y 軸，最后確定其他旋轉(zhuǎn)軸。機床某一軸的運動正方向，是指增大工件和刀具之間距離的方向。X 、Y 、Z 軸按照右手直角笛卡兒坐標系判斷，B 、C 旋轉(zhuǎn)坐標軸的正方向按照右手螺旋法則判斷。數(shù)控拋光機床坐標系定義方向如圖1所示。

圖1 拋光機床坐標系

　?。?）刀具坐標系。與刀具固連的坐標系為刀具坐標系，刀具坐標原點定義在刀尖點上，刀具坐標系的方向要與機床坐標系的方向保持一致。對于數(shù)控拋光機而言，刀具坐標系定義在布輪端面的中心位置，方向與拋光機機床坐標方向一致，如圖2所示。

圖2 刀具坐標系

　?。?）機床結(jié)構(gòu)信息。通過拋光機床結(jié)構(gòu)示意圖可以了解到機床的整體，包括輪轂裝夾工作臺，夾緊裝置，X 、Y 、Z 移動坐標軸，旋轉(zhuǎn)坐標軸，還有伺服電機，滾軸絲杠，直線導軌等。機床基本信息見表1。

表1 機床信息 

　　與普通的五軸數(shù)控機床相比，拋光機床在旋轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計上發(fā)生了改變。旋轉(zhuǎn)工作臺是承載輪轂的重要組成部分，由于要考慮輪轂外形尺寸和重量，工作臺在結(jié)構(gòu)上設(shè)計為圓形，在工作臺上對稱分布夾具的安裝位置。為適應(yīng)較大尺寸輪轂的裝夾，夾具前后位置應(yīng)可調(diào)。同時，在滿足承載力的前提下應(yīng)適當減少工作臺的重量。刀具運動由兩個伺服電機控制，刀具在結(jié)構(gòu)上設(shè)計為對稱形式，布輪的大小可以改變。拋光機床刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拋光刀具

　?。?）輪轂模型與裝夾利用建模軟件創(chuàng)建三維的鋁合金輪轂模型，選擇的鋁合金輪轂模型如圖4所示。

圖4 輪轂模型

　　輪轂安裝在工作臺上的原則是：首先要保證工作臺中心孔軸線與輪轂軸線重合，其次要保證輪轂所在的位置與數(shù)控編程軟件中設(shè)定的加工坐標位置一致。輪轂在工作臺上裝夾如圖5所示。

圖5 輪轂裝夾圖

　?。?）前置處理與后置處理。利用數(shù)控加工軟件對輪轂模型表面生成拋光加工軌跡，這一過程稱為前置處理。在整個前置處理過程中，得到了刀具相對于輪轂表面的運動軌跡，并且產(chǎn)生刀位文件（CLFS），它描述了刀具運動時的坐標位置和刀軸矢量方向。前置處理產(chǎn)生的刀位運動軌跡數(shù)據(jù)是原始程序，是假想工件靜止不動，刀具相對于工件的運動數(shù)據(jù)參數(shù)，并沒有考慮到機床的結(jié)構(gòu)特性。因此，需要將前置處理中產(chǎn)生的刀位數(shù)據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)化成拋光機床所能識別的NC數(shù)控程序，這一過程稱為后置處理。以輪轂模型中輪緣位置為例進行拋光加工，前置處理所產(chǎn)生的加工軌跡如圖6所示。

圖6 加工軌跡

　　后置處理技術(shù)對于數(shù)控程序的轉(zhuǎn)換起著十分關(guān)鍵的作用，也是實現(xiàn)數(shù)控拋光加工的重要環(huán)節(jié)，其主要功能是將刀具在工件坐標中的運動軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機床坐標系中的值。因此，首先要分析拋光機床的結(jié)構(gòu)形式和運動特性，確定工件坐標系和機床坐標系的對應(yīng)關(guān)系，然后通過空間矩陣算法求解出后置處理坐標轉(zhuǎn)換公式[6-8]，最終得到可以執(zhí)行的后置處理轉(zhuǎn)換界面。輪轂模型中輪緣拋光加工后置處理轉(zhuǎn)換如圖7所示。

圖7 后處理界面

　　（6）將后置處理轉(zhuǎn)換得到的NC程序?qū)霋伖鈾C床中，完成實際加工前的常規(guī)準備以后開始執(zhí)行數(shù)控程序。輪轂模型中輪緣位置拋光加工過程如圖8所示。

圖8 世紀加工

　　經(jīng)研究，將五軸數(shù)控理論應(yīng)用到輪轂拋光機床中，對實現(xiàn)鋁合金輪轂數(shù)控拋光加工具有重要意義，對改變輪轂拋光加工工藝方法也是一種創(chuàng)新。同時，將五軸數(shù)控拋光機床應(yīng)用到實際輪轂生產(chǎn)中，可以擴展五軸數(shù)控設(shè)備的應(yīng)用范圍，也可以為企業(yè)的發(fā)展帶來改變。 

結(jié)束語 

　　2014年10月10日中德簽署了《中德合作行動綱要》，同時我國結(jié)合德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)制造復興計劃也制訂了《中國制造2025》規(guī)劃，這意味著我國要在工業(yè)化和信息化同步發(fā)展的戰(zhàn)略中更快地促進兩者融合，最終早日實現(xiàn)智能化制造。因此，利用五軸數(shù)控技術(shù)對輪轂表面進行拋光加工就是一種新工藝方法的變革，也是按照智能化制造要求的一種轉(zhuǎn)變。同時，將數(shù)控拋光加工應(yīng)用到輪轂生產(chǎn)中，改變了現(xiàn)有企業(yè)的生產(chǎn)模式，減少了勞動強度，降低了成本消耗，提高了勞動安全指數(shù)。通過對五軸數(shù)控拋光機床的實際應(yīng)用加以探討，對實現(xiàn)數(shù)字化、智能化輪轂拋光加工具有一定的指導意義。 

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