1被加工工件

　　上世紀50年代小轎車的汽車模型，模型的數據來源于網絡，經過我們技術人員的技術處理而形成三維數模(見圖1)及標準加工代碼。在2007年中國工博會上，四開公司展出的SKY一5L16075五軸聯動加工中心現場以五軸聯動方式加工該轎車模型，一次裝卡完成全部加工(見圖2)，在現場引起轟動。

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雜的NURBS曲面。加工材料為代木(一種樹脂合成材料)。

　　對圖1所示的轎車模型進行分析可知，在程序編制和加工代碼的生成過程中有5個難點：

　　(1)五軸聯動數控機床加工中刀軸的控制；

　　(2)加工非連續復雜曲面精度的保證；

　　(3)驅動曲面的制作；

　　(4)固定五軸(3+2)和連續五軸(五軸聯動)加工程序的生成；

　　(5)多軸后處理的建造。

　　2.2 裝備選用

　　(1)加工機床的選用該加工中選用的是南京四開公司自主研發和生產的SKY一5L16075型轉臺+擺頭式五聯動高速加工中心。由于汽車模型的加工曲面非常復雜，甚至還有倒扣面的加工，充分體現出五軸聯動加工的特點。三軸數控機床已遠遠不能夠滿足該汽車模型的加工，所以必須選用五聯動數控機床。該機床采用了高精度的直線滾動導軌、傳動絲杠和日本山洋數字交流伺服電動機，旋轉工作臺和擺動頭采用了日研的轉臺，主軸最高轉速為24 000 r／min。

　　(2)數控系統的選用數控系統采用南京四開公司研發的具有自主知識產權的高檔網絡數控系統一SKY2006N，專門用于多軸聯動的機床控制。SKY2006N網絡數控系統進一步改進了多軸聯動加工的關鍵性控制技術，控制軸最多可擴展到64個；系統開發了3-D刀具空間補償功能；改進了皮米插補功能和坐標系尋位補償(C10)功能；擺軸長度補償功能(在加工時設定擺軸長度)；實現5000程序段的預處理功能(前瞻控制)，滿足高速加工的前瞻控制需要；通過Windows XP Embedded系統與數控系統的緊密結合，實現整個數控系統的專用性；對軟件的界面部分進一步人性化設計，具有軟件五軸加工模擬顯示功能；基于標準以太網(TCP／IP)的網絡功能，增強系統的可擴展性，滿足高速加工時大程序量的快速、穩定的傳輸。控制系統足夠滿足加工的要求，有力地保證了機床在運動中的精度控制和操作的方便性。

圖2. 五軸聯動數控機床加工小轎車模型

　　(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床結構之后，為被加工的汽車模型特制了一個卡具，如圖3所示。基準面就是卡具的頂面，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牢固地固定在專用卡具上，通過強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定性和可靠性。

　　(5)加工刀具及刀柄的選用根據對汽車模型的尺寸、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。刀柄選用熱膨脹結構系統，使刀具精準夾持，保證了刀具在高速旋轉時的動平衡和回轉精度，有效地提高切削加工的精度和工件表面質量，顯著改善了刀具在切削過程中的受力狀態。

　　2.3 CAM軟件編寫數控加工程序

　　(1)驅動曲面的制作

　　在Unigraphics軟件的多軸編程中，多軸編程是通過驅動曲面或驅動曲線按照一定的策略產生驅動點，然后把這些驅動點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改變，從而完成復雜曲面的加工。驅動曲面的制作很有講究，直接影響了被加工曲面的質量、精度、加工效率。驅動曲面制作時應從簡避繁，盡量簡單。

　　(2)數控加工程序的編制

　　①粗加工程序的編制：應用Unigraphics加工模塊中的3+2軸(固定五軸)功能對小轎車進行編程，讓刀具從工件的不同方向進行加工；保證了小轎車在粗加工完成之后大面積材料的去除。加工參數如表1所示。

表1. 加工工藝規劃

　　②半精加工程序的編制：選用mill_multi_axis(多軸加工一連續五軸)對小轎車進行半精加工，去除工件的殘留量。加工參數如表1所示。

　　③精加工程序的編制：為保證加工精度、加工質量和加工效率，程序最后用6 mm球刀分別對小轎車的不同區域進行精加工；根據小轎車加工模型的要求，合理設置驅動曲面的驅動方向、驅動參數、切削方式、刀位點的運動軌跡、切削參數、非切削參數、機床控制(運動輸出)等參數。其余參數按照SKY-5L16075型數控機床規定使用的功能指令、程序段格式及編程參數來編寫加工程序。在五軸聯動的編程中，手工編程一般不可實現，通常要借助一些帶有五軸編程功能的CAD／CAM軟件來實現自動編程。這里是選用了Unigraphics編程軟件的CAM部分的多軸編程模塊進行自動編程的。

　　④對于多軸程序的編制，刀軸的控制是難點，它直接影響到工件加工的精度、質量和效率。在此例中是通過驅動曲面來控制刀軸的連續變化的。

　　2.4 建造多軸后置處理

　　(1)后置處理的作用

　　CAM軟件在對工件進行刀具路徑計算時是假定工件不動，刀具根據工件上需加工的空間點圍繞工件轉動。后置處理時再將刀具路徑按照機床結構和運動關系進行數據轉換，轉換成符合設定的機床結構的程序代碼。

　　(2)后置處理的構造

　　在進行多軸程序的后置處理時，通常要構建一個與數控機床結構相同、符合數控系統指令格式和運行特點的后置處理。進入Unigraphics后置處理構造器，按照此數控機床的結構、數控系統的指令格式和運行特點構造一個后置處理，構造完成后將其保存(圖4)。

圖4. 后置處理的構造

　　2.5 后置處理刀位程序

　　將自動編程編制好的刀位程序按照指定的后處理轉換成本數控機床能讀取的標準G代碼。

　　2.6 程序校驗

　　完成上面所有工序之后，對程序進行校驗。在Unigraphics中自建一個與實際結構一致的轉臺+擺頭式五軸聯動數控機床，把汽車模型按照實際在機床上擺放的位置做在里面，在軟件中進行模擬加工。

　　2.7 加工程序

　　模擬實驗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 機床實際加工

　　將卡具安裝在轉臺上，讓卡具的回轉中心和旋轉臺的旋轉中心一致，再把小汽車固定在卡具上。根據編程時指定的加工原點進行對刀設定，在機床的操作中選用G55定位標準。

　　小轎車的粗加工、半精加工、精加工按照表1的工藝參數進行操作。在加工過程中，擺動軸在-120°～120°范圍內連續擺動，回轉軸在0°～360°范圍內轉動，加上三個直線軸的配合，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零線速度的切削，加工精度達到0.01 mm。