五坐標(biāo)高速銑削刀具軌跡設(shè)計(jì)

　　高速切削有著比傳統(tǒng)切削特殊的工藝要求，除了高速切削機(jī)床和高速切削刀具，具有合適的CAM編程軟件也是至關(guān)重要的庆揩。一個(gè)優(yōu)秀的高速加工CAM編程系統(tǒng)應(yīng)具有很高的計(jì)算速度、較強(qiáng)的插補(bǔ)功能跌穗、全程自動(dòng)過切檢查及處理能力订晌、自動(dòng)刀柄與夾具干涉檢查、進(jìn)給率優(yōu)化處理功能蚌吸、刀具軌跡編輯優(yōu)化功能锈拨、加工殘余分析功能等。數(shù)控編程時(shí)應(yīng)首先要注意加工方法的安全性和有效性羹唠；其次要盡一切可能保證刀具軌跡光滑平穩(wěn)奕枢，這會(huì)直接影響加工質(zhì)量和機(jī)床主軸等零件的壽命；最后要盡量使刀具載荷均勻佩微，這會(huì)直接影響刀具的壽命缝彬。國內(nèi)外比較成熟適用于高速加工編程的有美國EDS公司UnigraphicsNX、英國DelCAM公司的PowerMill哺眯、以色列的Cimatron軟件谷浅。

　　1.五軸刀具軌跡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

　　在進(jìn)行刀具軌跡設(shè)計(jì)之前，CAD三維模型的系統(tǒng)精度盡可能設(shè)置高一些止槽，尤其是在不同的CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換時(shí)椅砸，優(yōu)先采用CATIA(*.model)格式、Parasolid（*.x_t）格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換揍久，其次采用IGES格式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換嫡服，當(dāng)使用IGES格式時(shí)，系統(tǒng)精度一般不應(yīng)低于0.01mm悄慨，尤其在進(jìn)行五軸高速切削精密零件時(shí)模型的精度饼痘、刀具插補(bǔ)精度對(duì)刀具軌跡的輸出有著重要影響。

　　空間曲面軸加工涉及的內(nèi)容比較多车管，尤其是五軸加工時(shí)更明顯全僧。進(jìn)行五軸加工時(shí)涉及加工導(dǎo)動(dòng)曲面、干涉面还桶、軌跡限制區(qū)域公杰、進(jìn)退刀及刀軸矢量控制等關(guān)鍵技術(shù)。四軸五軸加工的基礎(chǔ)是理解刀具軸的矢量變化苛瞬。四軸五軸加工的關(guān)鍵技術(shù)之一是刀具軸的矢量（刀具軸的軸線矢量）在空間是如何發(fā)生變化的许起，而刀具軸的矢量變化是通過擺動(dòng)工作臺(tái)或主軸的擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于矢量不發(fā)生變化的固定軸銑削場(chǎng)合菩鲜，一般用三軸銑削即可加工出產(chǎn)品园细，五軸加工關(guān)鍵就是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(gè)角度惦积，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圖3所示的幾種方式：

　∶推怠①Line :刀具軸的矢量方向平行于空間的某條直線形成的固定角度方式狮崩；
　　②Pattern Surface:曲面法向式為刀具軸的矢量時(shí)刻指向曲面的法線方向鹿寻；
　∧啦瘛③From point：點(diǎn)位控制刀具軸的矢量遠(yuǎn)離空間某點(diǎn)；To point：刀具軸的矢量指向空間某點(diǎn)毡熏；
　√沟小④Swarf Driver：刀具軸的矢量沿著空間曲面（曲面具有直紋性）的直紋方向發(fā)生變化；
　×》ā⑤刀具軸矢量連續(xù)插補(bǔ)控制狱窘。從上述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(shí)際產(chǎn)品的加工來進(jìn)行合理的刀具軌跡設(shè)計(jì)規(guī)劃疯暑。

　　UGII/Contour Milling三軸高速等高分層粗銑削時(shí)牧稳，刀具軌跡之間的圓弧過渡。高速銑削加工的支持：系統(tǒng)提供的等高分層加工應(yīng)用于高速銑削場(chǎng)合盅格，在轉(zhuǎn)角處以圓角的形式過渡闰袒，避免90度急轉(zhuǎn)（高速場(chǎng)合對(duì)導(dǎo)軌和電機(jī)容易損壞），同時(shí)采用螺旋進(jìn)退刀鞭碳，系統(tǒng)還提供環(huán)繞等多種方式支持高速加工刀具軌跡的生成策略悴觅。UGII/Variable Axis Milling可變軸銑削模塊支持定軸和多軸銑削功能，可加工UGII造型模塊中生成的任何幾何體山滔，并保持主模型相關(guān)性轰蜗。該模塊提供多年工程使用驗(yàn)證的3~5軸銑削功能，提供刀軸控制莉紊、走刀方式選擇和刀具路徑生成功能自葡。刀具軸矢量控制方式、加工策略幼潮。UGII/Sequential Milling順序銑模塊可實(shí)現(xiàn)控制刀具路徑生成過程中的每一步驟的情況恤仁、支持2~5軸的銑削編程、和UGII主模型完全相關(guān)坯苹，以自動(dòng)化的方式隆檀，獲得類似APT直接編程一樣的絕對(duì)控制、允許用戶交互式地一段一段地生成刀具路徑粹湃，并保持對(duì)過程中每一步的控制恐仑、提供的循環(huán)功能使用戶可以僅定義某個(gè)曲面上最內(nèi)和最外的刀具路徑，由該模塊自動(dòng)生成中間的步驟、該模塊是UGII數(shù)控加工模塊中如自動(dòng)清根等功能一樣的UGII特有模塊裳仆，適合于高難度的數(shù)控程序編制腕让。如圖4所示分別為三軸聯(lián)動(dòng)與五軸聯(lián)動(dòng)加工刀具軌跡示意圖及產(chǎn)品加工實(shí)物。

　　2.整體葉輪加工數(shù)控編程

　　在進(jìn)行五坐標(biāo)加工編程時(shí)歧斟，加工策略劃分對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量是很重要的记某，尤其是復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)控編程時(shí)，要求更高构捡。如下圖對(duì)某整體葉輪進(jìn)行五坐標(biāo)高速銑削加工，其粗精加工銑削方式和刀具軌跡策略壳猜、粗精加工工序余量的合理安排勾徽、切削工藝參數(shù)加工步距、加工深度忿震、主軸轉(zhuǎn)速斗黍、機(jī)床進(jìn)給等的選擇對(duì)于提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量是至關(guān)重要的。五坐標(biāo)切削工藝參數(shù)的在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上肚浴，針對(duì)不同的加工產(chǎn)品對(duì)象掷佑，對(duì)不同材料、刀柄刀具淡碟、切削方式可通過正交試驗(yàn)等方法進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)霹壁、歸納總結(jié)選用。表2為某鋁合金高速切削工藝參數(shù)及其加工情況對(duì)比一步。

　　某整體葉輪在FIDIA KR215五坐標(biāo)高速銑削中心上剿稼，分別按照三軸銑削粗加工排量、五軸流道排量率满、五軸葉片精銑削茂禁、五軸流道精加工銑削的加工順序?qū)υ摦a(chǎn)品進(jìn)行切削及其產(chǎn)品加工實(shí)例。表2為不同切削工藝參數(shù)在高速切削鋁合金時(shí)的對(duì)比情況夷呐。

　　五坐標(biāo)高速銑削后處理程序開發(fā)

　　1.五軸機(jī)床旋轉(zhuǎn)刀具中心編程RTCP(Rotation Tool Centre Point)

　　五坐標(biāo)機(jī)床及其加工編程瞻窗，常用RTCP功能對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度和數(shù)控編程進(jìn)行簡(jiǎn)化，下面對(duì)RTCP（ Rotation Tool Centre Point 旋轉(zhuǎn)刀具中心）編程進(jìn)行簡(jiǎn)要說明悼做。

　　非RTCP模式編程：為了編程五坐標(biāo)的曲面加工疯特，必須知道刀具中心與旋轉(zhuǎn)主軸頭中心的距離：這個(gè)距離我們稱為轉(zhuǎn)軸中心(pivot)。根據(jù)轉(zhuǎn)軸中心和坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)值計(jì)算出X贿堰、Y辙芍、Z 的直線補(bǔ)償，以保證刀具中心處于所期望的位置羹与。運(yùn)行一個(gè)這樣得出的程序必須要求機(jī)床的轉(zhuǎn)軸中心長度正好等于在書寫程序時(shí)所考慮的數(shù)值故硅。任何修改都要求重新書寫程序。對(duì)于FIDIA C20數(shù)控系統(tǒng)G96 激活RTCP纵搁，G97 禁止RTCP
RTCP模式編程：選件RTCP 的運(yùn)行原理是當(dāng)存在此選項(xiàng)時(shí)吃衅，控制系統(tǒng)會(huì)保持刀具中心始終在被編程的XYZ位置上往踢。為了保持住這個(gè)位置，轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)都會(huì)被XYZ 坐標(biāo)的一個(gè)直線位移所補(bǔ)償徘层。因此峻呕，對(duì)于其它傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)而言，一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起刀具中心的位移趣效；而對(duì)于FIDIA 數(shù)控系統(tǒng)（當(dāng)RTCP 選件起作用時(shí)）瘦癌，是坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心的位移，保持刀具中心始終處于同一個(gè)位置上绊叙。在這種情況下填丢，可以直接編程刀具中心的軌跡，而不需考慮轉(zhuǎn)軸中心夸营，這個(gè)轉(zhuǎn)軸中心是獨(dú)立于編程的敞灸，是在執(zhí)行程序前由顯示終端輸入的，與程序無關(guān)贫介。通過計(jì)算機(jī)編程或通過PLP 選件被記錄的三坐標(biāo)程序区酷，可以通過RTCP 邏輯，以五坐標(biāo)方式被執(zhí)行翠蓄。對(duì)于這種特殊的應(yīng)用方法丛幌，必須要求使用球形刀具。這些轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)授灵，可以通過JOG 方式或通過手輪來完成堵忌，所以在某些加工條件下，允許所使用的刀具藏亲，其長度值小于用于三坐標(biāo)加工的刀具杯道。

　　2.基于UGNX平臺(tái)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，通過讀取刀位文件责蝠，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制指令格式党巾，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換和指令格式轉(zhuǎn)換。通用后置處理程序是在標(biāo)準(zhǔn)的刀位軌跡以及通用的CNC系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)配置及控制指令的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理霜医。它包含機(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換齿拂、非線性運(yùn)動(dòng)誤差校驗(yàn)、進(jìn)給速度校驗(yàn)肴敛、數(shù)控程序格式變換及數(shù)控程序輸出等方面的內(nèi)容署海。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之一医男。后處理的主要內(nèi)容包括三個(gè)方面的內(nèi)容：

　≡夷①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)刀森、主軸踱启、進(jìn)給、暫停研底、冷卻庵恨、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)修扁、程序頭尾輸出等方面的控制诀烫。

　　②格式轉(zhuǎn)換：數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與圓整峡逆、字符串處理等：主要針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的輸出格式如單位卜锡、輸出地址字符等方面的控制。

　〗Ю③算法處理：主要針對(duì)多坐標(biāo)加工時(shí)的坐標(biāo)變換、跨象限處理氮妆、進(jìn)給速度控制偶村。

　　五軸數(shù)控機(jī)床的配置形式多樣，典型配置有繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)擺動(dòng)工作臺(tái)匹溪，其二為主軸繞X軸或Y軸擺動(dòng)娶架，另外的工作臺(tái)則相應(yīng)繞Y軸或X軸擺動(dòng)來構(gòu)造空間的五軸聯(lián)動(dòng)加工。對(duì)于主軸不擺動(dòng)的五軸數(shù)控機(jī)床玩冷，其擺動(dòng)軸存在主次依賴關(guān)系窿侈，即主擺動(dòng)軸（Primary Table）的運(yùn)動(dòng)影響次擺動(dòng)軸（Secondary Table）的空間位置，而次擺動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)則不影響主擺動(dòng)軸的空間位置狀態(tài)秋茫。如圖7所示為常見五坐標(biāo)機(jī)床運(yùn)動(dòng)配置形式史简。

　　FIDIA KR214為帶旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的六軸五聯(lián)動(dòng)高速銑削加工中心，其機(jī)床運(yùn)動(dòng)類型如圖8所示肛著，其中C軸為主動(dòng)軸圆兵、A軸為從動(dòng)依附軸、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)為W軸枢贿；由于現(xiàn)有的CAM軟件大多不支持六軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控程序后處理殉农，且實(shí)際加工中，一般的五軸聯(lián)動(dòng)足夠滿足生成的需要局荚。針對(duì)該機(jī)床加工的特性超凳，根據(jù)需要可編制三個(gè)線性軸X、Y耀态、Z轮傍、A、C五個(gè)軸聯(lián)動(dòng)后處理程序以及包括三個(gè)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槽悼，修改適合KR214(或K211)數(shù)控機(jī)床的后處理程序埂荤。

　　基于Vericut五坐標(biāo)高速銑削機(jī)床運(yùn)動(dòng)模擬

　　由于五坐標(biāo)高速銑削加工時(shí)，刀具軌跡比較復(fù)雜页梁，且加工過程中刀具軸矢量變化控制頻繁屁蕾，尤其是在進(jìn)行高速切削時(shí)，刀具運(yùn)動(dòng)速度非扯哟荆快躺潘，因此在進(jìn)行實(shí)際產(chǎn)品加工前，進(jìn)行數(shù)控程序的校對(duì)審核是非常必要的千雏。由于五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)高速切削其程序量大毕亲，許多程序采用手工的方法或者在CAM軟件里進(jìn)行模擬是難以有效的檢查數(shù)控程序和機(jī)床的實(shí)際輸出是否存在問題。采用Vericut軟可以很好的節(jié)省校對(duì)時(shí)間误目，進(jìn)行真實(shí)的模擬加工项蝉，Vericut軟件非常真實(shí)的模擬機(jī)床加工過程中的干涉、過切轴私、進(jìn)退刀等狀況白找，尤其能很好的模擬五軸加工及其RTCP功能。Vericut提供了許多功能赁严，其中有對(duì)毛坯尺寸扰柠、位置和方位的完全圖形顯示，可模擬2～5軸聯(lián)動(dòng)的銑削和鉆削加工.

　　UGII/Vericut 切削仿真模塊是集成在UGII軟件中的第三方模塊疼约，它采用人機(jī)交互方式模擬卤档、檢驗(yàn)和顯示NC加工程序，是一種方便的驗(yàn)證數(shù)控程序的方法程剥。由于省去了試切樣件劝枣，可節(jié)省機(jī)床調(diào)試時(shí)間，減少刀具磨損和機(jī)床清理工作织鲸。通過定義被切零件的毛坯形狀哨免，調(diào)用NC刀位文件數(shù)據(jù)，就可檢驗(yàn)由NC生成的刀具路徑的正確性昙沦。UGII/Vericut可以顯示出加工后并著色的零件模型琢唾，用戶可以容易的檢查出不正確的加工情況。作為檢驗(yàn)的另一部分盾饮，該模塊還能計(jì)算出加工后零件的體積和毛坯的切除量采桃。UGII中的數(shù)字模型可直接傳輸?shù)絍ericut軟件中，進(jìn)行模擬档价，包括毛坯脂壁、產(chǎn)品囤乎、數(shù)控刀具軌跡與刀具等數(shù)字信息。圖9為UGNX環(huán)境下提供的Vericut接口界面揖帕，圖10所示為進(jìn)行某整體葉輪機(jī)床加工時(shí)在Vericut軟件中的模擬情況敢薄，為保證該產(chǎn)品的質(zhì)量提供了較好的檢測(cè)過程。

　　六挎茂、小結(jié)

　　本文從高速銑削加工中心的刀柄系統(tǒng)艇线、五坐標(biāo)高速銑削的刀具軌跡設(shè)計(jì)、數(shù)控編程后處理程序開發(fā)热轨、高速銑削切削工藝參數(shù)的合理選擇游鹿、五坐標(biāo)高速銑削機(jī)床加工運(yùn)動(dòng)模擬等方面的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，希望對(duì)讀者有所借鑒作用梨耽。

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