前言
我廠有一臺意大利 FIDIA S.P.A公司生產(chǎn)的六坐標(biāo)高速銑削加工中心KR214，該設(shè)備主軸可實現(xiàn)雙擺動,工作臺為數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺,主軸最高轉(zhuǎn)速24000rpm,采用的是FIDIA C20數(shù)控系統(tǒng)，該機(jī)床主要用于加工某整體艙段。整體艙段的結(jié)構(gòu)為圓柱體和圓錐體的鋁合金鍛件，兩端端框加中間蒙皮結(jié)構(gòu)形式，艙體外表面有U型槽、各種方孔、圓孔和橢圓孔；內(nèi)型面兩端有內(nèi)U型柄；下陷、環(huán)形筋、兩端面有花邊和對接孔，蒙皮厚度一般為3mm。內(nèi)型空間較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、加工型面多。刀具軌跡復(fù)雜、多軸聯(lián)動、機(jī)床主軸頭進(jìn)入艙體內(nèi)加工、進(jìn)退刀難以實現(xiàn)、易產(chǎn)生碰撞和干涉現(xiàn)象、加工風(fēng)險大等特點。針對以上問題，本文研究了艙體多軸高速銑削的一些關(guān)鍵技術(shù)。
1高速銑削工藝技術(shù)
高速銑削因其切削速度高、切削穩(wěn)定、切削力小，特別適用于加工易產(chǎn)生熱變形的產(chǎn)品。我廠生產(chǎn)的產(chǎn)品中薄壁件較多（口框、支架等），一般的加工銑削方法，零件變形大、形位公差不易保證，多采取增加時效或多次反復(fù)加工的方式但仍然很難保證產(chǎn)品質(zhì)量，且工序較長，加工周期長。高速切削切削深度和切削力小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應(yīng)力小，適合于加工薄壁件。針對高速銑削的工藝特點，以三種大型框體、薄壁件（尺寸在700×400以上）為對象，進(jìn)行工藝試驗，摸索了工藝流程，達(dá)到減少工序、提高質(zhì)量、縮短周期的目的。
1）高速銑平面度可達(dá)到0.02mm以上，一般平面加工可以取代立車平端面的工序；
2）薄壁件的加工裝夾很重要，一般擠壓式比上壓式變形小；
3）粗加工是追求單位時間內(nèi)的最大切除量，對表面質(zhì)量和精度要求不高，重要的是讓機(jī)床平衡工作，避免切削方向的急劇變化；
4）半精加工是為了把前道工序加工后的殘留變得平滑，余量均勻。因此半精加工應(yīng)沿著粗加工后的輪船銑削，切入過程穩(wěn)定，切削連續(xù)；
5）精加工軌跡應(yīng)緊貼零件表面，圓滑平穩(wěn)，沿劇烈的方向變化。
2高速切削編程
高速切削編程質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，編程要注意：
1）盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；
2）一般采用順銑，順銑可產(chǎn)生較少的切削熱，降低刀具負(fù)載，獲得較好的表面質(zhì)量；
3）減少速度的急劇變化和刀具的急劇換向，使軌跡光順；
4）減少刀具的切入切出，獲得穩(wěn)定的切削過程；
5）減少銑削負(fù)荷變化，使用權(quán)加工余量控制均勻；
6）對于五軸加工，空間曲面加工涉及的內(nèi)容比較多，涉及加工導(dǎo)動曲面、干涉面、軌跡限制區(qū)域、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等技術(shù)內(nèi)容。加工軌跡設(shè)計的關(guān)鍵在于通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機(jī)床原始坐標(biāo)系構(gòu)成空間某個角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有如下幾種方式（如圖1所示）。從刀具軸的矢量控制方式來看，五軸數(shù)控銑削加工的切削方式可以根據(jù)實際產(chǎn)品的加工來進(jìn)行合理的刀具軌跡設(shè)計規(guī)劃。
3 多軸加工仿真技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)
由于五坐標(biāo)高速銑削加工時，刀具軌跡比較復(fù)雜，刀具運(yùn)動速度非常快，加工風(fēng)險極大，因而采用傳統(tǒng)試驗切削的方法去驗證程序時不僅效率低、占機(jī)和調(diào)試時間長，而且本身驗證過程中涉及的風(fēng)險較大，同時手工很難將程序修改至預(yù)定目標(biāo)，因此對這類機(jī)床的加工進(jìn)行仿真技術(shù)的應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。
VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發(fā)的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)，由NC程序驗證模塊、機(jī)床運(yùn)動仿真模塊、優(yōu)化路徑模塊、多軸模塊、高級機(jī)床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真各種CNC系統(tǒng)，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗證、分析、機(jī)床仿真、優(yōu)化和模型輸出等。如圖2所示為從設(shè)計原型→CAM軟件→VERICUT→切削模型→模型輸出的整個機(jī)床仿真工藝流程。
3.1 工藝系統(tǒng)仿真環(huán)境構(gòu)建程序
為在VERICUT軟件實現(xiàn)NC程序加工仿真，需要預(yù)先構(gòu)建整個工藝系統(tǒng)的仿真環(huán)境。
其構(gòu)建的一般過程如下：工藝系統(tǒng)分析（確定數(shù)控機(jī)床CNC系統(tǒng)型號和功能、機(jī)床結(jié)構(gòu)形式和尺寸、機(jī)床運(yùn)動原理、各坐標(biāo)軸行程、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等）→建立機(jī)床幾何模型（建立機(jī)床運(yùn)動部件和固定部件的實體幾何模型，并轉(zhuǎn)換成VERICUT軟件可用的STL格式）→建立機(jī)床文件（建立機(jī)床運(yùn)動模型，即部件樹,添加各部件的幾何模型，并準(zhǔn)確定位）→建立用戶文件和控制系統(tǒng)文件（給機(jī)床配置數(shù)字控制系統(tǒng)）→建立刀具庫→設(shè)置機(jī)床參數(shù)（機(jī)床參數(shù)需要設(shè)置，比如各軸行程、機(jī)床零點、機(jī)床參考點、機(jī)床換刀點等）→保存所有文件。
如圖3所示為某整體艙段零件，材料為鋁鍛件，零件內(nèi)部有很多的型面需要加工，但內(nèi)部空間較小，防止碰撞安全加工是重要的內(nèi)容，利用Vericut可以精確地仿真加工過程，對產(chǎn)生的碰撞實時調(diào)整，實現(xiàn)安全加工。
4后處理程序的開發(fā)
后置處理最重要的是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)化為適合數(shù)控系統(tǒng)加工的NC程序，通過讀取刀位文件，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動變換和指令格式轉(zhuǎn)換。只有采用正確的后置處理系統(tǒng)才能將刀位軌跡輸出為相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床并能正確進(jìn)行加工的數(shù)控程序，因此編制正確的后置處理系統(tǒng)模板是數(shù)控編程與加工的前提條件和關(guān)鍵技術(shù)之一。后處理的主要內(nèi)容包括三個方面的內(nèi)容：數(shù)控系統(tǒng)控制指令的輸出：主要包括機(jī)床種類及機(jī)床配置、機(jī)床的定位、插補(bǔ)、主軸、進(jìn)給、暫停、冷卻、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、程序頭尾輸出等方面的控制；格式轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與圓整、字符串處理等：主要針對數(shù)控系統(tǒng)的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制；算法處理：主要針對多坐標(biāo)加工時的坐標(biāo)變換、跨象限處理、進(jìn)給速度控制。
4.1 以UGNX為例介紹后處理的開發(fā)過程
1） 認(rèn)識后處理程序結(jié)構(gòu)
2） 五坐標(biāo)機(jī)床加工刀位文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
UGNX中的五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工，刀位文件的結(jié)構(gòu)主要包括關(guān)鍵字及數(shù)字信息。關(guān)鍵字主要包括刀具Tool及其參數(shù)Tldata、主軸轉(zhuǎn)速Speed、進(jìn)給速度Fedrat、直線插補(bǔ)GOTO、圓弧插補(bǔ)CIRCLE,子程序調(diào)用及循環(huán)調(diào)用Cycle、潤滑及程序結(jié)束End等。刀位點信息主要包括刀具坐標(biāo)點X、Y、Z及刀具軸矢量信息VectorX、VectorY、VectorZ。后處理的主要任務(wù)就是如何針對刀位文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過幾何變換、數(shù)值計算與求解、代碼文件輸出、格式匹配為數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)識別的加工程序代碼。
3） 五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床后置處理算法
一般來說，五坐標(biāo)聯(lián)動是指數(shù)控機(jī)床的X、Y、Z三個移動坐標(biāo)和繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的三個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)A、B、C中的任意五個坐標(biāo)的線性插補(bǔ)運(yùn)動，通常是X、Y、Z與三個轉(zhuǎn)動坐標(biāo)A、B、C中的任意二個組成的五坐標(biāo)聯(lián)動，如圖4所示為五坐標(biāo)機(jī)床的坐標(biāo)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動坐標(biāo)A、B、C的運(yùn)動可由回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，也可以由刀具的擺動來實現(xiàn)。由于不同類型數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動方式不一致，因而其后置處理算法也不相同。五坐標(biāo)加工的機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)是刀具相對于機(jī)床運(yùn)動坐標(biāo)系的坐標(biāo)，而不是刀具相對于工件坐標(biāo)系的坐標(biāo) （如圖5所示）。
4）幾個要注意的問題
在應(yīng)用帶回轉(zhuǎn)工作臺的四坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工時，需要注意以下幾個問題：
① 回轉(zhuǎn)運(yùn)動字地址問題
回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由一回轉(zhuǎn)運(yùn)動字地址代碼及其轉(zhuǎn)角表示，該字地址代碼一般是A、B、C、U、V、W中的一個，但一般情況下并不代表與坐標(biāo)軸的對應(yīng)關(guān)系，就是說A（或U）不一定表示回轉(zhuǎn)工作臺繞X軸旋轉(zhuǎn)，B（或V）不一定表示回轉(zhuǎn)工作臺繞Y軸旋轉(zhuǎn)，C（或W）不一定表示回轉(zhuǎn)工作臺繞Z軸旋轉(zhuǎn)，而要求編程者非常清楚其運(yùn)動關(guān)系，以便應(yīng)用上述算法進(jìn)行后置處理，輸出時將轉(zhuǎn)角代入回轉(zhuǎn)工作臺的字地址。其次還應(yīng)注意，一般四坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺是作為機(jī)床的附件提供給用戶的，可以按工藝要求安裝在機(jī)床的工作臺上（就像安裝分度頭一樣安裝在銑床的工作臺上），這樣回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)軸可以與X軸一致，可以與Y軸一致，也可以與Z軸一致，在后置處理時應(yīng)特別注意，這個問題在四坐標(biāo)數(shù)控加工中經(jīng)常遇到。
② 轉(zhuǎn)角走向問題
該問題產(chǎn)生的原因是兩個刀位分屬于第Ι和第Π象限（在YZ平面內(nèi)），該問題的解決辦法的出發(fā)點是將轉(zhuǎn)角+360°或-360°，這樣不影響工作的實際位置，而使刀具按所要求的軌跡運(yùn)動。多坐標(biāo)數(shù)控加工兩連續(xù)的刀位點之間是線性插補(bǔ)，兩刀位點之間的角度差不允許太大（＜＜90°），否則線性插補(bǔ)誤差很大。
③進(jìn)刀點、退刀點和進(jìn)退刀動作；
④輸出刀具信息事件的處理；
⑤平移坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)軸處理。
4.2 KR214后處理程序的開發(fā)
FIDIA KR214為帶旋轉(zhuǎn)工作臺的六軸五聯(lián)動高速銑削加工中心，其機(jī)床運(yùn)動類型如圖6所示，其中C軸為主動軸、A軸為從動依附軸、旋轉(zhuǎn)工作臺為W軸。由于現(xiàn)有的CAM軟件大多不支持六軸聯(lián)動的數(shù)控程序后處理，且實際加工中，一般的五軸聯(lián)動足夠滿足生成的需要。針對該機(jī)床加工的特性，根據(jù)需要可編制X、Y、Z、A、C五個軸聯(lián)動后處理程序以及包括三個線性軸及A/W的五軸后處理程序。這兩種后處理程序方案即可滿足工程需求，修改適合KR214(或K211)數(shù)控機(jī)床的后處理程序。
