1被加工工件

　　上世紀(jì)50年代小轎車的汽車模型，模型的數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過我們技術(shù)人員的技術(shù)處理而形成三維數(shù)模(見圖1)及標(biāo)準(zhǔn)加工代碼。在2007年中國工博會(huì)上，四開公司展出的SKY一5L16075五軸聯(lián)動(dòng)加工中心現(xiàn)場以五軸聯(lián)動(dòng)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(dòng)。

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(fù)雜的NURBS曲面。加工材料為代木(一種樹脂合成材料)。

　　對(duì)圖1所示的轎車模型進(jìn)行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過程中有5個(gè)難點(diǎn)：

　　(1)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工中刀軸的控制；

　　(2)加工非連續(xù)復(fù)雜曲面精度的保證；

　　(3)驅(qū)動(dòng)曲面的制作；

　　(4)固定五軸(3+2)和連續(xù)五軸(五軸聯(lián)動(dòng))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(jī)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(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五聯(lián)動(dòng)高速加工中心。由于汽車模型的加工曲面非常復(fù)雜，甚至還有倒扣面的加工，充分體現(xiàn)出五軸聯(lián)動(dòng)加工的特點(diǎn)。三軸數(shù)控機(jī)床已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足該汽車模型的加工，所以必須選用五聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床采用了高精度的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、傳動(dòng)絲杠和日本山洋數(shù)字交流伺服電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)和擺動(dòng)頭采用了日研的轉(zhuǎn)臺(tái)，主軸最高轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)權(quán)的高檔網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)一SKY2006N，專門用于多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)床控制。SKY2006N網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)了多軸聯(lián)動(dòng)加工的關(guān)鍵性控制技術(shù)，控制軸最多可擴(kuò)展到64個(gè)；系統(tǒng)開發(fā)了3-D刀具空間補(bǔ)償功能；改進(jìn)了皮米插補(bǔ)功能和坐標(biāo)系尋位補(bǔ)償(C10)功能；擺軸長度補(bǔ)償功能(在加工時(shí)設(shè)定擺軸長度)；實(shí)現(xiàn)5000程序段的預(yù)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(jié)合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的專用性；對(duì)軟件的界面部分進(jìn)一步人性化設(shè)計(jì)，具有軟件五軸加工模擬顯示功能；基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(TCP／IP)的網(wǎng)絡(luò)功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，滿足高速加工時(shí)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(jī)床在運(yùn)動(dòng)中的精度控制和操作的方便性。

圖2. 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)之后，為被加工的汽車模型特制了一個(gè)卡具，如圖3所示?；鶞?zhǔn)面就是卡具的頂面，每次測定擺軸長度和刀具長度就以此面做為基準(zhǔn)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?yán)喂痰毓潭ㄔ趯Ｓ每ň呱?，通過強(qiáng)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(duì)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使刀具精準(zhǔn)夾持，保證了刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)平衡和回轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)曲面的制作

　　在Unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過驅(qū)動(dòng)曲面或驅(qū)動(dòng)曲線按照一定的策略產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后把這些驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(yīng)改變，從而完成復(fù)雜曲面的加工。驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)曲面制作時(shí)應(yīng)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?yīng)用Unigraphics加工模塊中的3+2軸(固定五軸)功能對(duì)小轎車進(jìn)行編程，讓刀具從工件的不同方向進(jìn)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

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　?、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(duì)小轎車進(jìn)行半精加工，去除工件的殘留量。加工參數(shù)如表1所示。

　　③精加工程序的編制：為保證加工精度、加工質(zhì)量和加工效率，程序最后用6 mm球刀分別對(duì)小轎車的不同區(qū)域進(jìn)行精加工；根據(jù)小轎車加工模型的要求，合理設(shè)置驅(qū)動(dòng)曲面的驅(qū)動(dòng)方向、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、切削方式、刀位點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、機(jī)床控制(運(yùn)動(dòng)輸出)等參數(shù)。其余參數(shù)按照SKY-5L16075型數(shù)控機(jī)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(dòng)的編程中，手工編程一般不可實(shí)現(xiàn)，通常要借助一些帶有五軸編程功能的CAD／CAM軟件來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)編程的。

　?、軐?duì)于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點(diǎn)，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(qū)動(dòng)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(duì)工件進(jìn)行刀具路徑計(jì)算時(shí)是假定工件不動(dòng)，刀具根據(jù)工件上需加工的空間點(diǎn)圍繞工件轉(zhuǎn)動(dòng)。后置處理時(shí)再將刀具路徑按照機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成符合設(shè)定的機(jī)床結(jié)構(gòu)的程序代碼。

　　(2)后置處理的構(gòu)造

　　在進(jìn)行多軸程序的后置處理時(shí)，通常要構(gòu)建一個(gè)與數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)相同、符合數(shù)控系統(tǒng)指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)的后置處理。進(jìn)入U(xiǎn)nigraphics后置處理構(gòu)造器，按照此數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)、數(shù)控系統(tǒng)的指令格式和運(yùn)行特點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)后置處理，構(gòu)造完成后將其保存(圖4)。

圖4. 后置處理的構(gòu)造

　　2.5 后置處理刀位程序

　　將自動(dòng)編程編制好的刀位程序按照指定的后處理轉(zhuǎn)換成本數(shù)控機(jī)床能讀取的標(biāo)準(zhǔn)G代碼。

　　2.6 程序校驗(yàn)

　　完成上面所有工序之后，對(duì)程序進(jìn)行校驗(yàn)。在Unigraphics中自建一個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的轉(zhuǎn)臺(tái)+擺頭式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，把汽車模型按照實(shí)際在機(jī)床上擺放的位置做在里面，在軟件中進(jìn)行模擬加工。

　　2.7 加工程序

　　模擬實(shí)驗(yàn)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(jī)床實(shí)際加工

　　將卡具安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，讓卡具的回轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心一致，再把小汽車固定在卡具上。根據(jù)編程時(shí)指定的加工原點(diǎn)進(jìn)行對(duì)刀設(shè)定，在機(jī)床的操作中選用G55定位標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(jìn)行操作。在加工過程中，擺動(dòng)軸在-120°～120°范圍內(nèi)連續(xù)擺動(dòng)，回轉(zhuǎn)軸在0°～360°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，加上三個(gè)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(diǎn)零線速度的切削，加工精度達(dá)到0.01 mm。