吉中帥 趙盛威 臧劍波 陳俊羽 徐顧自 崔陽晨 代韓棟

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)學(xué)院，無錫 214121）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)隨之迅速發(fā)展，加工出的零件形狀變得復(fù)雜多樣，傳統(tǒng)的加工設(shè)備已無法滿足現(xiàn)階段的加工需求，因此傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備已漸漸淡出人們的視線，涌現(xiàn)出更加先進(jìn)的加工設(shè)備。熟練掌握計算機(jī)輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）技術(shù)是能夠操作這類設(shè)備的關(guān)鍵[1]。掌握好多軸加工技術(shù)既能避免二次裝夾的誤差，也能減少加工時間，提高生產(chǎn)效率[2]。可見，熟練掌握CAM技術(shù)和多軸加工技術(shù)，對我國進(jìn)入工業(yè)制造強(qiáng)國具有里程碑意義。

1 螺旋葉片的五軸加工工藝

1.1 工藝分析

工件材料設(shè)定為鋁合金6061。該工件由柱狀體、凸臺、螺旋葉片、凹型槽、孔、平面和曲面構(gòu)成[3]。工件上半部分屬于錐度葉輪，且由于葉輪是五軸加工中的難點(diǎn)，而NX軟件中有葉輪模塊，因此加工錐度葉輪時使用NX軟件中葉輪模塊建?？梢越档途幊痰碾y度。

根據(jù)上述分析可知，如在三軸數(shù)控加工機(jī)床上加工該零件，需多次裝夾才能完成加工，從而增加了加工成本、延長了加工時間，并產(chǎn)生了多次裝夾所造成的裝夾誤差和重復(fù)定位誤差等。

1.2 工件毛坯

工件最大圓柱包容體所需要的尺寸為Φ78 mm× 108 mm。為防止加工時對刀帶來誤差，毛坯應(yīng)選以工件最大外輪廓尺寸為底面直徑的圓柱，因此所需要的毛坯為Φ80 mm×110 mm的圓柱棒料，如圖1所示。

1.3 裝夾方案

采用三爪卡片夾具進(jìn)行工件的定位與夾緊。機(jī)床為HZ-5AXIS，特點(diǎn)是AC軸適用于加工復(fù)雜的曲面工件，加工本零件Z軸行程不夠，需要墊高三爪卡盤，同時能保證C軸與工作臺有較大的安全距離。

1.4 加工工藝

依據(jù)上述的分析步驟，設(shè)計該產(chǎn)品的加工工藝參數(shù)，見表1。

表1 螺旋葉片的加工工藝參數(shù)

2 螺旋葉片的CAM編程

在制定出加工工藝路線后，需要對待加工工件進(jìn)行刀具加工工藝路線的編制。優(yōu)異的刀具加工工藝路線既能夠保證加工工件擁有較好的表面質(zhì)量，又能提高加工工件的加工效率。此外，在UG中編制螺旋葉片的刀具加工工藝路線。

2.1 刀具粗加工工藝路線的編制

對該加工工件進(jìn)行粗加工，是需要在粗加工過程中切削大量的加工工件材料。該工件粗加工過程可分為二夾輔助面、底座開粗和三軸定軸開粗等[4]。采用NX軟件中“型腔銑”編制底座開粗的刀路軌跡，如圖2所示。

2.2 刀具半精加工工藝路線的編制

對該加工工件進(jìn)行半精加工，是為了能夠進(jìn)一步切削經(jīng)過粗加工后殘留下的工件余量，使該加工工件的加工余量均勻。該工件半精加工過程可分為底座底面半精、四軸定軸側(cè)壁半精和中間圓柱凹陷曲面半精兩處等。采用NX軟件中“底壁銑”工序編制底座底面半精的刀路軌跡，如圖3所示。

2.3 刀具精加工工藝路線的編制

對螺旋葉片進(jìn)行精加工，該加工過程采用NX軟件中的“葉片精加工”“固定輪廓銑”與“可變輪廓銑”工序，為葉片曲面和底座編制精加工刀路軌跡，如圖4所示。

3 螺旋葉片的VERICUT軟件加工仿真

VERICUT軟件是一種具有實(shí)用價值的NC仿真工具，可以反映加工過程中刀具、毛坯、夾具和軸的移動狀態(tài)，從而避免加工過程中產(chǎn)生的碰撞、干涉、過切等問題[5]，并通過NC優(yōu)化編程來優(yōu)化螺旋葉片的加工速度和加工后的螺旋葉片表面質(zhì)量。

在VERICUT工作環(huán)境下建立HZ-5AXIS五軸坐標(biāo)NC模擬系統(tǒng)，對NX推導(dǎo)的螺旋葉片NC編程進(jìn)行了模擬和編程，并給出了相應(yīng)的計算步驟。

3.1 HZ-5AXIS五軸數(shù)控仿真平臺的構(gòu)建

搭建HZ-5AXIS機(jī)床的數(shù)控模擬平臺，需要做到以下4個步驟。

（1）構(gòu)建數(shù)控加工機(jī)床的幾何模型。在NX軟件工作環(huán)境中，先構(gòu)造HZ-5AXIS機(jī)床的各個零部件的模型，然后依次進(jìn)行裝配。

（2）構(gòu)建機(jī)床運(yùn)動學(xué)模型。在VERICUT工作環(huán)境下構(gòu)造HZ-5AXIS機(jī)床的數(shù)控模擬平臺的運(yùn)動模型，既需要明確知道待加工的有螺旋葉片的工件的各加工組件相互之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，又要依據(jù)五軸數(shù)控加工機(jī)床HZ-5AXIS的運(yùn)動形式確定其兩大運(yùn)動學(xué)傳動鏈，如圖5所示。

依據(jù)機(jī)床的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，在VERICUT工作環(huán)境中，先依次一一導(dǎo)入運(yùn)動學(xué)傳動鏈中所涉及的各加工組件，包括機(jī)床床身、3個公共直線軸（X軸、Y軸和Z軸）、2個旋轉(zhuǎn)軸（A軸和C軸）、主軸、刀具、夾具、工件和毛坯等，再一一導(dǎo)入與之相對應(yīng)的待加工工件的各部分組件模型文件。

（3）依據(jù)五軸數(shù)控機(jī)床相配套的控制系統(tǒng)文件，選擇與HZ-5AXIS相匹配的數(shù)控系統(tǒng)。

（4）設(shè)定五軸數(shù)控機(jī)床基本參數(shù)，也就是五軸數(shù)控機(jī)床起點(diǎn)、沖程限制和沖突探測等。

3.2 螺旋葉片的仿真加工

HZ-5AXIS五軸數(shù)控模擬平臺搭建完成后，在對螺旋葉片進(jìn)行加工仿真驗(yàn)證時需要做到以下方面：

（1）在VERICUT工作環(huán)境下，建立待加工的螺旋葉片的加工刀具庫和所需的加工坐標(biāo)系；

（2）采用NX后處理工藝的NC數(shù)控加工程序，并一一導(dǎo)入加工毛坯和螺旋葉片配套對應(yīng)的夾具模型文件；

（3）驗(yàn)證NX后處理工藝的NC數(shù)控加工程序的正確性。

先進(jìn)行模型重置，然后點(diǎn)擊“仿真到末端”，仿真完成后，模型如圖6所示。模型顏色顯示，沒有過切、少切現(xiàn)象。

4 結(jié)語

首先，合理利用五軸定向加工命令，分別采用型腔銑、平面輪廓銑等工序方法進(jìn)行開粗加工工序的程序編制；其次，分析討論了零件頭部螺旋葉片的加工方式，并得出了對于加工螺旋葉片時可以使用葉輪模塊簡化螺旋葉片加工過程的結(jié)論；最后，采用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行1∶1對照，可實(shí)現(xiàn)加工前的預(yù)知，使編程、仿真、加工形成一個閉環(huán)。