1被加工工件

　　上世紀50年代小轎車的汽車模型，模型的數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡，經(jīng)過我們技術人員的技術處理而形成三維數(shù)模(見圖1)及標準加工代碼。在2007年中國工博會上，四開公司展出的SKY一5L16075五軸聯(lián)動加工中心現(xiàn)場以五軸聯(lián)動方式加工該轎車模型，一次裝卡完成全部加工(見圖2)，在現(xiàn)場引起轟動。

圖1. 三維汽車模型

2 加工工藝分析

　　2.1 零件圖樣的分析

　　該小轎車的尺寸為500 mmx295 mmx200 mm，且加工曲面是非常復雜的NURBS曲面。加工材料為代木(一種樹脂合成材料)。

　　對圖1所示的轎車模型進行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過程中有5個難點：

　　(1)五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工中刀軸的控制；

　　(2)加工非連續(xù)復雜曲面精度的保證；

　　(3)驅動曲面的制作；

　　(4)固定五軸(3+2)和連續(xù)五軸(五軸聯(lián)動)加工程序的生成；

　　(5)多軸后處理的建造。

　　2.2 裝備選用

　　(1)加工機床的選用該加工中選用的是南京四開公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的SKY一5L16075型轉臺+擺頭式五聯(lián)動高速加工中心。由于汽車模型的加工曲面非常復雜，甚至還有倒扣面的加工，充分體現(xiàn)出五軸聯(lián)動加工的特點。三軸數(shù)控機床已遠遠不能夠滿足該汽車模型的加工，所以必須選用五聯(lián)動數(shù)控機床。該機床采用了高精度的直線滾動導軌、傳動絲杠和日本山洋數(shù)字交流伺服電動機，旋轉工作臺和擺動頭采用了日研的轉臺，主軸最高轉速為24 000 r／min。

　　(2)數(shù)控系統(tǒng)的選用數(shù)控系統(tǒng)采用南京四開公司研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權的高檔網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)一SKY2006N，專門用于多軸聯(lián)動的機床控制。SKY2006N網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)進一步改進了多軸聯(lián)動加工的關鍵性控制技術，控制軸最多可擴展到64個；系統(tǒng)開發(fā)了3-D刀具空間補償功能；改進了皮米插補功能和坐標系尋位補償(C10)功能；擺軸長度補償功能(在加工時設定擺軸長度)；實現(xiàn)5000程序段的預處理功能(前瞻控制)，滿足高速加工的前瞻控制需要；通過Windows XP Embedded系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的緊密結合，實現(xiàn)整個數(shù)控系統(tǒng)的專用性；對軟件的界面部分進一步人性化設計，具有軟件五軸加工模擬顯示功能；基于標準以太網(wǎng)(TCP／IP)的網(wǎng)絡功能，增強系統(tǒng)的可擴展性，滿足高速加工時大程序量的快速、穩(wěn)定的傳輸?？刂葡到y(tǒng)足夠滿足加工的要求，有力地保證了機床在運動中的精度控制和操作的方便性。

圖2. 五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工小轎車模型

　　(3)卡具的選用為了方便編程、降低操作人員的裝卡難度，工件的裝卡位置十分重要。在分析了工件的加工工藝和機床結構之后，為被加工的汽車模型特制了一個卡具，如圖3所示?；鶞拭婢褪强ň叩捻斆?，每次測定擺軸長度和刀具長度就以此面做為基準面。

圖3. 汽車模型的特制卡具

　　(4)工件的裝卡為了能使小轎車牢固地固定在專用卡具上，通過強力拉緊螺釘把二者固定起來，有力地保證了工件在加工過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

　　(5)加工刀具及刀柄的選用根據(jù)對汽車模型的尺寸、倒扣面的深度和加工精度的分析，刀具分別選用直徑為16 mm、圓角半徑為4 mm的圓角立銑刀，直徑為10 mm、圓角半徑為l mm的圓角立銑刀以及直徑為6 mm的球刀。刀柄選用熱膨脹結構系統(tǒng)，使刀具精準夾持，保證了刀具在高速旋轉時的動平衡和回轉精度，有效地提高切削加工的精度和工件表面質(zhì)量，顯著改善了刀具在切削過程中的受力狀態(tài)。

　　2.3 CAM軟件編寫數(shù)控加工程序

　　(1)驅動曲面的制作

　　在Unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過驅動曲面或驅動曲線按照一定的策略產(chǎn)生驅動點，然后把這些驅動點按照一定的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照某種規(guī)則來生成刀具路徑的。多軸加工中，刀軸的軸線方向可以改變，即隨著加工表面法線方向的不同而作相應改變，從而完成復雜曲面的加工。驅動曲面的制作很有講究，直接影響了被加工曲面的質(zhì)量、精度、加工效率。驅動曲面制作時應從簡避繁，盡量簡單。

　　(2)數(shù)控加工程序的編制

　?、俅旨庸こ绦虻木幹疲簯肬nigraphics加工模塊中的3+2軸(固定五軸)功能對小轎車進行編程，讓刀具從工件的不同方向進行加工；保證了小轎車在粗加工完成之后大面積材料的去除。加工參數(shù)如表1所示。

表1. 加工工藝規(guī)劃

　?、诎刖庸こ绦虻木幹疲哼x用mill_multi_axis(多軸加工一連續(xù)五軸)對小轎車進行半精加工，去除工件的殘留量。加工參數(shù)如表1所示。

　?、劬庸こ绦虻木幹疲簽楸ＷC加工精度、加工質(zhì)量和加工效率，程序最后用6 mm球刀分別對小轎車的不同區(qū)域進行精加工；根據(jù)小轎車加工模型的要求，合理設置驅動曲面的驅動方向、驅動參數(shù)、切削方式、刀位點的運動軌跡、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、機床控制(運動輸出)等參數(shù)。其余參數(shù)按照SKY-5L16075型數(shù)控機床規(guī)定使用的功能指令、程序段格式及編程參數(shù)來編寫加工程序。在五軸聯(lián)動的編程中，手工編程一般不可實現(xiàn)，通常要借助一些帶有五軸編程功能的CAD／CAM軟件來實現(xiàn)自動編程。這里是選用了Unigraphics編程軟件的CAM部分的多軸編程模塊進行自動編程的。

　　④對于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點，它直接影響到工件加工的精度、質(zhì)量和效率。在此例中是通過驅動曲面來控制刀軸的連續(xù)變化的。

　　2.4 建造多軸后置處理

　　(1)后置處理的作用

　　CAM軟件在對工件進行刀具路徑計算時是假定工件不動，刀具根據(jù)工件上需加工的空間點圍繞工件轉動。后置處理時再將刀具路徑按照機床結構和運動關系進行數(shù)據(jù)轉換，轉換成符合設定的機床結構的程序代碼。

　　(2)后置處理的構造

　　在進行多軸程序的后置處理時，通常要構建一個與數(shù)控機床結構相同、符合數(shù)控系統(tǒng)指令格式和運行特點的后置處理。進入Unigraphics后置處理構造器，按照此數(shù)控機床的結構、數(shù)控系統(tǒng)的指令格式和運行特點構造一個后置處理，構造完成后將其保存(圖4)。

圖4. 后置處理的構造

　　2.5 后置處理刀位程序

　　將自動編程編制好的刀位程序按照指定的后處理轉換成本數(shù)控機床能讀取的標準G代碼。

　　2.6 程序校驗

　　完成上面所有工序之后，對程序進行校驗。在Unigraphics中自建一個與實際結構一致的轉臺+擺頭式五軸聯(lián)動數(shù)控機床，把汽車模型按照實際在機床上擺放的位置做在里面，在軟件中進行模擬加工。

　　2.7 加工程序

　　模擬實驗完成后開始后置處理所編制的程序。部分加工程序如下：

　　2.8 機床實際加工

　　將卡具安裝在轉臺上，讓卡具的回轉中心和旋轉臺的旋轉中心一致，再把小汽車固定在卡具上。根據(jù)編程時指定的加工原點進行對刀設定，在機床的操作中選用G55定位標準。

　　小轎車的粗加工、半精加工、精加工按照表1的工藝參數(shù)進行操作。在加工過程中，擺動軸在-120°～120°范圍內(nèi)連續(xù)擺動，回轉軸在0°～360°范圍內(nèi)轉動，加上三個直線軸的配合，刀具可以加工一些倒扣的曲面，而且刀具在加工過程中避免了刀尖點零線速度的切削，加工精度達到0.01 mm。