五轴数控镗铣加工中心在斜面加工中的应用

本文就型号生产任务中所遇到的大型斜面类零件如何在五轴数控镗铣加工中心上完成精密加工进行研究，提出并解决了斜面类零件的加工编程问题。并更进一步论述了如何在斜面上实现精确铣削方程曲线，三维曲面、刻字等的编程问题，抛开多轴加工时由于增加摆长而引起的一系列问题，突破了常规的编程思维模式，使数控机床和CAM软件完美的结合起来。

    1、引言
   
    高性能的五轴数控铣加工中心，数控系统都具有空间坐标系旋转以及斜面刀具补偿功能，从而为一些需斜面加工且加工精度比较高的零件加工提供了可能。在斜面上加工时，由于坐标系在空间发生变化，加工程序编制困难，需突破常规的编程思维模式进行编程，而且对程序进行特别处理，本篇结合型号产品的实际加工来讨论此问题。

    在型号产品的生产过程中经常会遇到此类零件，需在斜面上进行打孔、镗孔、铣削形状，或者在同一次装夹中需要在不同方向和不同斜度的若干斜面上加工，且每个斜面间有较高的形位公差要求。常规的加工此类零件的方法是扳动床头、转动工作台面或者使用组合夹具，若加工方向或者加工位置不同则需要二次装夹，重新找正，加工过程异常繁琐，由于装夹定位和机床本身的限制，无法保证零件的加工精度。如在T××的台体加工中，斜面上的孔系较多，且异形面不好装夹，定位基准不好，多次装夹造成误差积累，有时孔的边距误差超过了1mm。
   
    2、斜面加工工艺分析及解决方案
   
    为解决此种零件的加工问题，通过不断摸索和工艺方法的不断改进，并结合工厂现有机床，后选用五轴数控铣加工中心来解决此问题。所选机床为五轴五连动，除3个线性轴外，还带回转工作台（C轴：－360°～360°）和摆头（B轴：0°～110°）两个回转轴，采用控制系统为FANUC160i，具有空间坐标系旋转和斜面刀具补偿功能。机床运动简图如下：

    从实现斜面加工的角度来看，在一次装夹中可完成不同方向、不同角度的多个斜面的打孔、镗孔、攻丝、铣削等多种加工的需要。减少了装夹次数，降低了劳动强度，缩短了产品的生产周期，更重要的是提高了零件的加工精度，保证了产品质量的一致性。

    以长三系列某基座类零件的窗口加工为例，零件如下图所示：要加工此窗口，可以看出，机床应该完成一个在XZ、YZ平面上2轴联动的插补和一个主轴的摆头动作。因为要使刀具和加工面垂直，必须使主轴完成一个摆头动作，有摆头，就牵扯到摆长等一系列的多轴加工问题。因此要使用多轴程序的编制手段来完成，编程和机床调试难度大，给程序编制者和机床操作者提出了更高的要求，在实际应用中，考虑到保证机床安全等方面的因素，需模拟加工过程，多次空切，确保程序无误，才能进行正式加工。此外，多轴的程序算法相当复杂，需考虑摆长等因素的影响，针对某一机床必须有特定的后处理，但后处理往往因为算法和控制位置的不同，以及计算稳定性方面的影响，经过软件后处理所得的程序在控制精度方面常常难以满足零件图纸精度的要求。

    分析可看出，造成编程难度增加的直接原因是斜面的出现，因此，如果可以使加工平面与斜面重合，那么此类问题就转化为一个两轴半加工的编程问题，编程难度大大降低。因此，可以想到，首先使用机床的坐标系转换功能（G68指令）来使加工平面与斜面重合，第二使用刀具长度补偿指令（G432），在斜面的垂直方向加上刀长，经过以上处理后，使斜面加工问题转化为平面加工来解决，从而编程难度大大降低。若同时需要加工多个斜面时，只需转动C轴到C0（工作台的零位，该零位方向与主轴摆动方向相同），再通过旋转坐标系和加刀长来实现加工。如果加工形状比较简单，通过手工便可以完成编程工作。从而使得在数控机床一次装夹中，实现在多个斜面、多个工位、多次换刀的加工变成可能。

    程序结构如下：
    ％
    N0100 O0008（程序名）
    N0102 M6 T1；（换刀）
    N0104 G0 G90 G56 X400 Y200 Z260 B0 C0；（运动到参考点）
    N0106 G432 X200 Z150 H1 Bω；（在垂直于斜面的方向加刀长）
    N0108 M3 S3000；（主轴正转）
    N0110 M8；（打开切削液）
    N0112 G68 X188 Y0 Z60 I0J1 K0 Rω；（坐标系转换，ω为主轴从零转到与斜面垂直时所转动过得角度）
    … …
    N0200 G69；（坐标系旋转取消）
    N0202 G492 X200 Z300；（斜面刀具补偿取消，运动到安全位置）
    N0204 M9；（切削液关）
    N0206 Cα；（C轴旋转，α为所要加工的第n个斜面的垂线与C0位置所夹的最小角度）
    N0208 G0 G90 G56 X400 Y200 Z260 B0 C0；（运动到参考点）
    N0210 G432 X200 Z150 H1 Bωn；（在垂直于斜面的方向加刀长）
    N0212G68 X188 Y0 Z60 I0J1 K0 Rωn；（坐标系转换，ωn为主轴从零转到与斜面垂直时所转动过得角度）
    … …
    N0200 G69；（坐标系旋转取消）
    N0202 G492 X200 Z300；（斜面刀具补偿取消，运动到安全位置）
    N0204 M9；（切削液关）
    N0204 M30；（程序结束，返回到程序头）
   
    3、复杂斜面加工的进一步讨论
   
    再讨论第二个问题，可以看到，虽然在上述讨论中实现了斜面加工，但是仅限于在斜面上打孔、镗孔、攻丝、铣削由直线和圆弧构成的简单形状，局限于手工编程。如果铣削形状比较复杂，如在斜面上铣削方程曲线，三维曲面、刻字，又该如何去编制程序？

    类似的这些形状即使在平面上加工时，手工编程也是无法做到的，只有通过CAM软件来完成。通过对机床和CAM软件的仔细研究，摸索出一套软件编程结合手工编程的办法来完成此类零件的加工编程的有效途径。

    分析可知，在普通的三轴铣编程中，刀轴方向始终与XOY平面垂直，但是当主轴偏离原来的竖直方向时，刀具平面发生倾斜时，如何才能使在XOY平面上生成的程序在斜面上正确运行。分析可知，尽管坐标系发生了旋转，但是如果使在XOY平面上所做图形(a)在原坐标系中的相对位置与斜面上要加工的形状(b)和新坐标系中的相对位置保持一致，那么在XOY平面上所生成的程序可直接应用到斜面加工中。根据机床摆头动作对图形位置的影响，分析可知，在XOY平面上作图时，应使图形以编程原点为旋转中心逆时针旋转90°（旋转角度应根据机床等具体情况来定），这样就使在CAM软件中的图形位置与实际加工的位置保持一致。通过添加和修改程序头和程序尾，即增加坐标系转换和斜面刀具补偿，就使得软件编程和手工编程结合起来，从而实现了在斜面上铣削方程曲线，三维曲面、刻字等任意复杂形状的加工。

    通过在实际加工验证，证实该方法在机床功能及行程的许可范围内应用该种方法编程可实现任意斜面上任意复杂形状的加工编程。

    下图为在52°的斜面上加工三维曲面的加工实例：

    4、结论
   
    在本厂型号产品的生产过程中，多次应用该方法解决了多项加工难题，为斜面类零件的加工提供了一条全新的解决途径，不仅提高了斜面类零件的加工精度和加工效率，并且为工厂带来较大的经济效益。

    综上所述，此种编程方法的主要优势体现在一下几个方面：

    (1) 解决了斜面类零件的数控加工问题
    (2) 解决了斜面加工的精度问题
    (3) 简化了斜面加工的编程问题
    (4) 解决了在斜面上铣削任意复杂形状的加工问题
    (5) 提高了斜面加工程序控制精度问题

    编程思路的转变，不仅使编程者在编程思维模式上有更新的认识，而且在开发机床性能，提高数控机床的使用率方面也发挥出不小的作用。此加工思路提出，解决了多种型号产品相关零件的加工及加工精度问题，为进一步提升总体产品的性能提供保证，为型号产品的加工逐步走向数字化做出应有的贡献。