五轴数控技术在多维曲面零件加工的应用

　　【编者按】多维曲面零件是切削加T的一个难点，除了要求应用多轴机床之外，多轴编程技术是其中的关键，合理地设置加工刀路是零件表面精度及尺寸精度的重要保证。本文以人的头像加工为例，论述和分析了五轴切削对多维曲面零件加工的实际应用。头像是多轴数控加工一类典型的产品，具体见图1所示，针对该产品曲面多而复杂，表面质量、尺寸精度要求高等特点，在加工工艺上采用三轴加工开粗、五轴联动精加工相结合，配合程序优化的思路，来提高产品的加工质量和加工效率。

　　1 头像加工工艺分析

　　1.1 模型分析

　　本次试做工件的材料为硬铝。头像的主要尺寸为：最大的直径为?100mm。最小圆角半径为0.6mm，人像的圆柱形轮廓尺寸100mm×100mm。

　　由于头像本身属于复杂曲面零件，同时设计要求精度达到IT7，表面光洁度达Ra1.6。其面部结构比较复杂，在耳朵、眼睛、嘴巴附近有多个小曲面，曲面的最小宽度只有1-2mm，这对刀具的要求很高，这种曲面只能采用直径1mm的刀具。由于刀具直径小，为了避免断刀或粘刀。在实际加工过程中要求切削深度不能太大，采用少切削量，高转速加工，同时进给速度不能过快。

　　1.2加工工艺分析

　　在刀路编制过程中为了使刀路更加流畅，选用三轴加丁进行零件的粗加工，精加工则选择五轴联动的加工方法，使切削过程更加连续，减少抬刀次数。保证加工质量。

　　由于粗加工采用三轴的加工方法。因此需先分析零件在加工方向上的刀具干涉问题。其中采用UG软件的模具分析功能：通过各个方向的分析可见，每个方向都存在刀具干涉的问题，但通过对各个方向的轮流加工，可以避免刀具干涉的问题解决，也就是说当采用五个方向加下的话，可以将该人像零件的整个轮廓都可以粗加工到位。

　　因此确定头像的粗加工流程：采用五面加工。即为前侧面、后侧面、左侧面、右侧面和顶面的五个面加工。

　　1.3 加工的设计过程：

　　1.3.1 建立加工所徭要的模型.包括产品设计、准备坯料和CAD文件。

　　1.3.2设计加工所需要的数据及加T操作环境，包括选择加工机床(选用五轴机床)、加工坐标系(五轴机床，包括3个移动轴和2个转动轴)、设计夹具，挑选加工刀具(平底刀，球头月)、设定加工参数、加工方法(采用曲面加工)等。

　　1.3.3加工程序设计(设计加工方式)，刀具路径设计产生加工刀具路径数据，后处理程序(经由后处理程序进行加T参数的转移)，NC—CODE(输出五轴机床及控制器所需的机器码并进行加工过程)。

　　2 头像的程序编制

　　2.1 整体加工刀路规划和装夹

　　五轴数控粗加工时。首先以头像的底面为装夹面.对头像依此绕C轴旋转90度加工4个侧面，4个侧面加工完工后再绕A轴旋转90度加工顶面。人像面部的精加工分2步走，先用4轴加工方式进行半精加工，再进一步五轴加工方式精加工头像顶面与面部上的小曲面(耳朵，眼睛，嘴巴)，以保证整个加工质量及表面精度。

　　2.2 刀路编制过程

　　2.2.1五面粗加工刀路设计(左侧面，右侧面，前侧面，后侧面，顶面)

　　选择加工方式：制造模块→mill→contour→'cavity_mill→生成。

　　设置刀具参数：选择直径为10mm瑚的平底刀，进给率设置为踟800mm/mian，z轴进给率为400mm/min，提刀速率为3000mm/min，主轴转速为500r/min。

　　设置加工参数：参考高度(即安全离度)为5mm，下刀位，为3mm，留余量0.3mm。

　　设置粗加工参数：步进值为刀具半径50%，每层切深为0.35mm，切削层深度为-36mm。逆铣，选择沿外形下刀，斜角5度。切削走刀方式设定为跟随工件。

　　形成刀路如图所示。

　　a)右侧面救加丁刀路设计(刀轴为+X)

　　其他侧面的刀路则通过更改机床的刀轴方向。更新刀路生成

　　b)左侧面粗加工刀路设计(刀轴为-X)

　　c)前侧面粗加工刀路设计(刀轴为+Y)

　　d)后侧面栩加工刀路设计(刀轴为-Y)

　　e)顶面刀具路径设计(刀轴为+Z)

　　2.2.2 半精加工刀路设计

　　选择加工方式：制透摸块→miu mulii -axis→rerinhle_canlour→选择裂动面→生成。

　　设置刀具参数：选择直径为4r2的球头刀，进给率为300mm/min，轴进给率为150mm/min，提刀速率为3000/mm/min，主轴转逮为7000r/min。

　　设置曲面加工参数：参考高度(即安全高度〕为5mm，下刀位置为3mm。

　　设置粗加工参数：步进值为残余波峰高度0.005mm。刀轴方向相对于驱动面，逆铣。进刀方式：采用固定的间隙逼近。半径为3mm的陇弧入刀。与切削方向平行。切削创走刀方式设定为螺旋线，双向走方。

　　2.2.3 精加工刀路设计:

　　选择加工方式：制选模块→mill→contour→cavity_mill→生成。

　　设置刀具参数：选抒直径为4r2的球头刀，进给率笼为300mm/min，主轴进给率为150mm/min，提刀速率为3000mm/min，主轴转迷为7000mm/min。

　　设置曲面加工参数：参考高度(即安全高度〕为5mm，下刀位置为3mm。

　　设置粗加工参数:步进值为刀具半径5mm,每层切探为0.05mm

　　设置粗加工参数：步进值为刀具半径的50%，每层切深为0.05mm。切削层深度为-10mm，逆铣，选择沿外形下刀，斜角5度。切削走刀方式设定为跟随工件。
　　2.2.4 局部精修刀路设计:

　　分两步加工:首先是双眼与嘴巴，然后是耳朵。

　　a)眼口部分加工，报据与头像相似的外轮廓，新建一个球头的图柱体作为精加工的驱动面(7)，可以使刀轴更好的与头像轮廓接触。加工更加到位。

　　选择加工方式：制造摸块→mill_multi-axis→vareable_contaur→选择驱动面→生成

　　设置刀具参数：选择直径为4r0.5的球头，进给率设置为200mm/min，Z轴进给率为100mm/min，提刀速率为3000mm/min，上轴转速为8000r/min。

　　设置曲面加工参数：参考高度(即安全高度)为5mm,下刀位置为3mm。

　　设置精加工参数：步进值残余波峰高度0.005mm。曲面百分比为30-80，步长为10-40轴方向为相对千驭动面，顺铣，选择进刀方式：遥近方式采用固定的间隙。选择半径为3mm的圆弧入刀，与切削方向平行。切削走刀方式设定为平行线，双向走刀。

　　b)右耳部分加工：报据耳朵的实际轮廓，在不产生刀具干涉问题的方向上建立新的工件坐标系。然后以该坐标系进行刀具路径编制。

　　选择加工方式：制透摸块→mill_contour→contour→选择加工曲面→生成。

　　设置刀具参数：选抒直径为1r0.5的球头刀，进给率为200mm/min，Z轴进给率为100mm/min，提刀速率为3000mm/min，主轴转迷为8000mm/min。

　　设置曲面加工参数：参考高度(即安全高度〕为5mm，下刀位置为3mm。

　　设置粗加工参数：步进值为0.01mm,选择为0.005mm。切削层深度为-36mm。刀轴方向为相对于驱动面。顺铣，选择进刀方式：手工半径3mm圆弧入刀，与切削方向平行。切削走刀方式设定为跟随工件，双向走刀。

　　左耳刀具路径采用变换镜像复制的方式生成.

　　3 产品效果分析

　　根据以上刀具路径进行编程，加下出以下头像产品，加工时间约为120min，精度达到IT7 ,表面粗糙度为Ra1.6

　　通过对头像多轴数控加工方法及工艺的研究，表明采用CAD设计和CNC数控加工的制造方式，可加工多曲面，兰轴加工中存在刀具干涉的零件，并且可以保证较高的质量、精度。同时多轴零件的加工应充分考虑加工的特点，进行合理的加工刀路设置，并采用三轴方式粗加工，五轴方式精加工的工艺方案来提高零件的加工效率。

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