多面体零件五轴定位加工研究

摘 要：多面体类零件在汽车、农用机械等设备中经常用到。多面体加工一般是用刨削或铣削的方式，但由于存在分度操作，切削不连续，所以用这两种加工方式就有效率低等不足，不适于大批量生产。传统的车床，由于只有工件作旋转运动，刀具作进给运动，其刀刃在工件上的轨迹只能是圆或螺旋线，所以不能用于加工多面体，文中重点就多面体零件五轴定位加工进行了研究。

关键词：五轴定位;多面体;运动合成

加工多面体零件，常用的方法为铣削和刨削加工，在此类机床上若采用分度机构进行多边形加工，就涉及到分度精度、间歇传动、加工效率、分度工装调整等具体的因素。本文介绍了一种五轴定位加工原理，并以多面体为例讨论了该机床在车削加工多边形时误差产生的机理，提出了减小加工误差的方法。本试验加工设备为哈斯VF5五轴数控加工中心，该机床为双转台结构，X轴行程965mm，Y轴行程660mm，Z轴行程635mm，A轴旋转角度范围±120°，B轴360°，主轴最高转速8000r/min，可以满足零件的加工需求。

1.五轴联动数控机床概述

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。 目前，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。

2.加工工艺分析

零件有6个斜面和6个侧面，面上分布有孔、槽等特征，如果在三轴数控铣床上进行加工，需要设计夹具，并进行多次装夹，而在五轴机床上，配合A、B轴的旋转，可使刀具主轴始终垂直于被加工平面，一次装夹就可完成所有待加工面的操作。使用带有双转台结构的哈斯五轴加工中心加工多面体零件时，实质是定位加工，在切削时，旋转轴是锁住的，在一个面加工完毕后，解锁旋转轴，然后旋转给定角度，并再次锁住旋转轴，进行下一个平面的加工。五轴机床是精密设备，为了提高设备寿命和保证加工精度，初期粗加工可在普通机床上进行，然后在五轴机床上进行后续加工。

3.数控编程设计

3.1编程坐标系确定

在使用五轴机床加工时，必须考虑零件在机床上面的装夹方式，如果装夹方式发生改变，必须重新生成加工程序。对于双转台五轴数控加工中心来说，数控程序的零点应与旋转轴交点保持确定关系，在此例中，两点是重合的。零件的设计原点在底面的中心，因此在编程前应使用软件的“平移”命令，使零件和G54原点保持正确的关系。哈斯VF5机床旋转轴交点在B轴转台上方一固定距离，编程前必须找到该点的精确位置，否则会带来很大的加工误差。加工试验中，按图1所示方式装夹零件所用毛坯，图中也指明了编程原点（G54）的位置。

3.2构造加工辅助几何元素

在实际加工前，利用Vericut软件进行模拟加工。该软件能实现真正的G代码仿真，可以进行碰撞、过切检查。Vericut利用数学方法从模型上减去切除材料，所以软件始终对切深、切宽以及材料的切除量进行精确控制，所以它不但可以检查程序错误，还能优化切削参数。程序经过仿真验证，就可以在哈斯机床上进行切削。为了在生成刀具路径时方便选择线链和面，需提前构造辅助几何元素。使用“Create-Surface-From Solid”命令，并选择零件的倾斜面，创建曲面;接着使用“Create-Surface-Fill Hole”填充面上的孔，作为粗加工时选择的曲面;接着在相应的构建平面（CPlane）上，创建辅助圆弧和直线。这些圆和直线用作粗精加工斜面、斜孔需要选择的线链。

3.3五轴定位加工刀具路径的生成

因为零件上的特征是沿圆周均匀分布的，因此可首先完成其中一个平面的粗精加工刀路，然后通过旋转刀具路径的方法，得到其余平面的刀具路径。启动“视图管理器（View Manager”，创建其中一个倾斜平面的局部坐标系，该坐标系最好创建在零件表面，并设置平面的外法线方向为Z轴的正方向。首先点击“Geometry”命令按钮，接着选择倾斜面上两条直线，，这样就可创建一个视图，将该视图命名为“30Degeeview”，并将刀具平面和原点以及当前构建平面和原点均设定在“30Degreeview”，在“视图管理器”对话框中将“Work offset#”设置为“0”，代表G54，在“Origin”设置区域，不要选择“Enable original”，同时将原点设置为（0，0，0），这样就可以在局部坐标系中按照三轴加工的方法生成加工刀具路径，同时保证后处理输出的加工代码是在G54下面的，为按此方法生成的斜面和斜孔的精加工刀路。

4.结束语

本文提出五轴定位加工多面体的方法，具有广泛的实用性，它不仅可以用来车削偶数面的多面体，还可以用来车削奇数面的多面体。通过对多面体数控编程进行了详细的分析，在加工正多面体零件时，只需一次装夹即可完成其所有侧面的车削加工。由于传动比是可控的，故只要改变传动比和初位角，就可以加工多个平面，有利于加工的复合化，使得加工效率有了显著提高。拓展了车削的范围。传统的车削机床只能加工回转面，而本文采用的五轴定位加工方法可以用来车削加工平面甚至更复杂的型面。

参考文献：

[1]项占琴，正多棱柱体的近似车削加工[J]，机械加工，2014

[2]邬义杰，多面轴的几何设计和数控加工[J]，中国机械工程，2013