歐陽德祥 張祥林 詹華西

(①武漢職業(yè)技術學院，湖北 武漢430074;②華中科技大學，湖北 武漢430074)

某小企業(yè)因加工業(yè)務拓展的需要，擬在三軸數控搖臂銑床的工作臺上加裝C軸數控分度盤而將其改造為四軸控制機床，并希望利用其搖臂功能，針對工件加工要求，在人工手動扳轉并鎖定主軸傾角的狀態(tài)下，通過四軸交互運動完成固定傾角曲面的高效銑削加工。由此，即能在較低投入的前提下完成本應由五軸機床才能實現的復雜曲面工件的加工?；诖耍枰剿髋c之相適應的CAM多軸加工刀路方法及其相關后處理參數的設置，從而為該機床數控加工自動編程的實現提供可操作性的技術準備。

1 搖臂銑加裝C軸后的工藝拓展及運動控制分析

就三軸數控銑床而言，當在工作臺上加裝一個C軸分度盤并進行數控系統(tǒng)升級后，它便是一臺能實現四軸聯動控制的機床，對于均布孔系及高精度要求的內外柱面銑削加工，不再需要通過XY的插補運算即可通過C軸回轉加工實現，因此可消除由插補逼近計算而引起的加工原理誤差，從而獲得較高的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。數控搖臂銑床的主軸可人工按刻度盤手動扳轉至一定角度后鎖定在某固定角度方位，如圖1所示，其結構相當于可繞Y軸轉至一固定傾角的B軸，因此，既可利用平底銑刀的底刃實現與刀軸垂直的斜平面銑削，也可利用其側刃實現與刀軸平行的側表面高效銑削。搖臂銑加裝回轉C軸后，相當于一擺頭+擺臺的五軸機床，但其主軸擺頭的角度不能受數控代碼控制實現任意角度的動態(tài)擺轉，只能在前期由人工預先扳轉至一固定角度方位。這一組合運動形式可利用平底銑刀的側刃實現固定傾角的錐臺類側壁曲面的銑削加工，相對于三軸模式下使用球刀逐層銑削錐面，其效率無可比性;較之錐拔成型銑刀加工而言，它既可省去刀具定制的成本，同時更能獲得較高的加工精度及其表面質量。

然而，由于搖臂銑加裝C軸的機床形式，其主軸擺轉的角度不能自動控制，所以它不能完全適合真正的擺頭+轉臺五軸控制的所有加工方法，其可實現的加工工藝范圍存在一定的局限性。該機床形式對多軸加工刀路方法及程序編制的合理性要求較高，它要求刀路方法及程序中的主軸擺角相對固定，只能在運動初期和運動結束時產生主軸固定擺角的運動，切削運動中不能再出現主軸的擺角變化。

2 主軸傾角固定的多軸加工刀路方法探索

2.1 搖臂銑加C軸機床對多軸刀路的基本期望

如前述分析，由于搖臂銑可理解為主軸頭固定B軸(或A軸)擺角的機床運動模式，當其用于加工圖2a所示側壁錐面傾角為10°的簡單錐臺工件時，其合適的刀路方法應該是:可采用平底銑刀，在初期運動到錐頂圓周一側的同時進行B軸10°的擺角，Z向下行后逐步引入至加工區(qū)，并在后續(xù)加工過程中始終保持固定10°的傾角，由C軸旋轉實現側壁曲面的銑削加工，如此分層依次切削，直至全部側壁加工完成，然后引出離開加工區(qū)再Z向提刀，最后刀軸擺轉復位至正常角度。

2.2 Master CAM多軸加工刀路方法的比較

針對該錐臺側壁曲面的加工，若在MasterCAM中采用旋轉四軸(C軸旋轉)加工可以得到圖2b所示刀路，雖然該刀路基本上是緊貼錐壁一層層的旋轉切削，但由于其必須選用球刀，且需要讓刀軸始終以法向垂直曲面的狀態(tài)做旋轉切削，因此，其刀位點在XY平面內的坐標計算無法獲得前述期望的結果。若采用沿面五軸、通道五軸等多軸加工方法并調整設置，可得到圖2c所示刀路。通過觀察仿真運動效果，能明顯看出該刀路第一深度層是傾角漸次變化的過渡層，但從第二深度層開始似乎就是由平底銑刀的側刃以固定傾角在C軸旋轉方式下實現錐壁曲面的切削，或許進行后期編輯刪除第一層的刀路即可達到期望的結果，然而從得出的NC程序粗略分析可知，第二層之后的刀路中依然多處存在主軸的傾角變化和調整。

當采用高級多軸模板中的壁邊五軸或電極五軸等刀路方法，以平行于側壁曲面并定義刀軸為固定10°傾角的設置，可得到圖2d所示刀路，無論從刀路法向矢量、仿真運動效果還是NC程序格局等諸多結果分析，這種刀路方法最接近前述期望的結果。因此，可以選用這類刀路方法實現搖臂銑加裝C軸機床的編程加工控制。

3 搖臂銑加C軸的坐標編程及后處理參數調整

3.1 搖臂擺頭模式下編程坐標的算法特點

主軸擺角對編程坐標計算的影響視擺角方式而不同，B軸擺角時主要影響X、Z坐標，對Y坐標無多大影響，且X、Z坐標算法依照擺轉樞軸點(即B軸擺動中心)到刀位點的擺長距離L而變化。如圖3所示，對于Z軸采用垂直運動(如立柱或工作臺升降)控制模式的機床，若以上表面回轉中心為編程零點并按0傾角狀態(tài)對刀找正，當刀具中心走到錐面+X一側的某一位置時，B軸擺角狀態(tài)下的X、Z坐標應如下計算:

ΔX=L×sinβ，即X=Xa-L×sinβ;ΔZ=L×(1-cosβ)，即Z=Za-L×(1-cosβ)。

表1 擺頭加擺臺(C+B)五軸后處理主要參數設置及含義解析

這一坐標算法的實現，只要在后處理中正確設置擺長距離L并激活偏置算法，即可由系統(tǒng)自動算出。

3.2 搖臂銑加C軸機床后處理參數的調整

MasterCAM X3版的五軸參數是在PST文檔的5 Axis Rotary Settings區(qū)段中設置，主要包括旋轉軸代碼及正方向、擺頭/擺臺五軸配置方案、刀軸平面及擺長等參數。以Generic Fanuc 5X Mill.pst后置處理文檔為藍本，按前述C+B模式對擺頭+擺臺五軸進行主要設置參數的修改，見表1所示。

按表1設置五軸后處理的主要參數，即可獲得Z軸垂直運動模式下搖臂擺頭(含B傾角)的程序輸出，刪除程序頭尾部分的B坐標數據即可用于搖臂銑加C軸四軸控制的加工。

4 搖臂銑加裝C軸加工應用的仿真驗證

按照以上處理方法，我們在MasterCAM X3中，對圖2所示錐臺側壁曲面構建了五軸加工刀路并進行了后處理參數的調整，做好了程序輸出前的相關準備。然后啟用VERICUT7.2，選用dmg_dmu60t.mch的擺頭B軸+轉臺C軸結構的機床模型，配置fan15im.ctl控制系統(tǒng)，如圖4a所示。按該機床模型中主軸鼻端到樞軸點的距離260 mm，在MasterCAM后處理中進行擺長設置后輸出程序供VERICUT調用。

在VERICUT中，坐標系構建的對刀關系從組件B原點(樞軸點)到毛坯頂面中心進行構建，在使用G90絕對坐標格式程序仿真時，不需進行后處理的擺長設置，由VERICUT自動計算擺長補償即可獲得期望的加工結果;在使用G91增量坐標格式程序仿真時，則需要按260 mm的擺長設置輸出方可獲得如圖4b所示的期望結果，若將主軸鼻端下移至距樞軸點300 mm，則在MasterCAM后處理中也需按300 mm擺長設置輸出才可獲得期望的結果。若啟用VERICUT的RTPC功能，在MasterCAM后處理中按對應擺長設置并以樞軸點為刀位點生成程序，無論采用絕對或增量坐標輸出均可獲得期望的結果。同時，我們對橢圓錐臺側壁曲面也按上述方法進行了刀路設計及VERICUT的仿真檢查，其仿真亦能達到圖4c所示的期望結果。由此均可驗證以上主軸固定B傾角+轉臺C軸的五軸刀路方法及其由后處理設置與調整獲得的程序輸出是合理可行的，說明以上搖臂銑加裝C軸的刀路方法探索及其后處理設置與調整能夠達到預期的加工要求。

5 結語

盡管搖臂銑加裝C軸后只是一個能實施4軸控制的機床，但可充分利用主軸搖臂轉頭的結構，在一定程度上實現擺頭+擺臺五軸加工的功能，關鍵是找到合適的刀路設計方法，并能根據其特點進行五軸后處理的正確設置。本文以主軸固定擺角+轉臺C的五軸模式，對錐臺類側壁曲面加工實現的刀路方法及后置程序的輸出處理進行了探索和仿真驗證，論證了搖臂銑加裝C軸后實施五軸加工的可行性。但本文僅就搖臂銑以Z向由立柱或工作臺垂直升降結構模式的加工實現進行了探索研究，對搖臂銑中Z向是在主軸套筒內沿刀軸方向做伸縮控制的結構模式，其坐標算法特點及其后處理的修正仍需進一步分析和探索。

［1］吳軍.用MasterCAM X進行多軸自動編程加工的方法［J］.機械工程師，2011(1):126-127.

［2］孟凡秋.MasterCAM后處理數控加工程序的修改［J］.模具制造，2007(4):16-17.