(A-C)式雙擺臺五軸機床刀具進給速度的研究*

王虎奇，張 健，唐清春

(廣西工學(xué)院機械工程系，廣西柳州 545006)

0 引言

通常在三軸數(shù)控加工中，為滿足恒功率加工，編程時所設(shè)置的進給速度一般為恒定值。但在五軸數(shù)控加工中，使用的五軸機床是在三軸數(shù)控機床的基礎(chǔ)上加入兩個旋轉(zhuǎn)軸，可以使刀軸的方向在空間范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)動，這樣便可以加工具有復(fù)雜曲面類零件和多面類零件，既可以避免刀軸與工件發(fā)生干涉，又可以在一次裝夾的情況下完成所有面的加工。但是在帶來上述優(yōu)勢的同時也帶來了一定的問題，加工中為滿足恒功率切削，刀心點的線速度必須相對工件加工表面平穩(wěn);而對于五軸雙擺臺類結(jié)構(gòu)的機床，回轉(zhuǎn)中心在工作臺下一固定位置，加工過程中因各軸之間的位置變化，造成回轉(zhuǎn)中心與刀心之間的距離是一個變量［1-3］。因此，刀心點的速度應(yīng)是一個變值。倘若采用恒定值加工，必然會產(chǎn)生各軸之間的運動不完全匹配，進而將會嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量。

本文針對此問題在五軸后置處理中，將前置處理生成的CLSF文件，經(jīng)過機床運動模型算法和刀具進給速度處理方法進行一定的處理，最后，將處理好的數(shù)控程序?qū)嶋H加工驗證。

1 進給速度優(yōu)化方法

一般在討論五軸后置處理中刀具進給速度前，應(yīng)對五軸聯(lián)動機床加工中心的算法進行求解。本文針對北京機電院研發(fā)的BV100五軸(A-C)聯(lián)動機床進行討論。因本文作者唐清春在文獻［4］中已經(jīng)對BV100五軸聯(lián)動加工中心后置處理的基本算法進行了研究，但并未對其加工中的進給速度做特殊處理(即采用前置處理中給定的恒定進給速度)，其加工效果并不理想。所以本文在參考文獻［4］中所推導(dǎo)出該機床的后置處理算法的基礎(chǔ)上提出一種旋轉(zhuǎn)修正法對五軸后置處理中的進給速度進行討論。

1.1 旋轉(zhuǎn)修正法

圖1 待加工微線段OM、MN

通常，針對復(fù)雜曲面的加工，大多數(shù)選用各類CAM(如UG、PROE)軟件中的自動編程功能來處理，而這些軟件經(jīng)常將復(fù)雜曲面讓一些細小連續(xù)的線段來代替。如圖1所示，假定在工件坐標(biāo)系 ORXYZ 下 O、M、N 的運動坐標(biāo)為(OX，OY，OZ，OA，OC)、(MX，MY，MZ，MA，MC)、(NX，NY，NZ，NA，NC)。機床在加工直線段OM時的各軸位移增量分別為ΔS(ΔX，ΔY，ΔZ，ΔA，ΔC)。本討論在以數(shù)控指令 G94 的狀態(tài)下進行［5］。在工件坐標(biāo)系ORXYZ下，以加工線段OM且對應(yīng)數(shù)控代碼中所設(shè)置的進給速度F為例，具體處理方式如下。

當(dāng)加工直線段OM時，刀具相對于工件表面的實際速度為f，刀位點的當(dāng)量位移ΔS為：

但是，在實際加工OM時，由于O點到M點的刀心變化值主要源于平動軸X、Y、Z，轉(zhuǎn)動軸A、C對其影響較小，所以刀位點的實際當(dāng)量位移Δ'S為：

由于刀具相對于工件表面的實際速度f不等于數(shù)控代碼中所設(shè)置的進給速度F，采用刀具相對于工件的實際速度反求在數(shù)控代碼中的進給速度。并在此基礎(chǔ)上加入一個整體調(diào)整系數(shù)k，對整體速度的大小也能調(diào)整。所以修正后的進給速度滿足下列關(guān)系式：

式(3)中：f—刀具相對于工件表面的實際速度;

k—調(diào)整系數(shù);

F—數(shù)控代碼中所設(shè)置的進給速度。

但使用時需要注意，當(dāng)相鄰兩個刀位點的刀心坐標(biāo)相同時，變化的僅為刀軸矢量，此時該方法的速度值達到正無窮，所以為避免進給速度瞬間增大損傷工件以及降低調(diào)整系數(shù)時，導(dǎo)致機床進給速度過低，因此應(yīng)該設(shè)置一個最大進給速度值Fmax與一個最小速度進給值Fmin［6］，保護進給速度F的過高或過低。

2 后置處理的實現(xiàn)與驗證

BV100五軸聯(lián)動加工中心，配置了 SIEMENS840D系統(tǒng)，接下來依據(jù)上述進給速度處理方法，得到處理后的進給率。

2.1 實際加工比較

在UG8.0中建好葉輪的三維模型，根據(jù)其特征進行工藝分析以及編制加工程序，并對其中葉片進行對比。

(1)采用旋轉(zhuǎn)修正法與參考文獻［4］中的恒定值法處理后程序的對比

在UG中，將葉片的余量放為0.2mm，將旋轉(zhuǎn)修正法里調(diào)整系數(shù)設(shè)為1.2，設(shè)定基本進給速度為3000mm/min。對葉片2和葉片3采用以上兩種方法，如圖2所示，采用經(jīng)旋轉(zhuǎn)修正法后，其進給速度大小不僅與基本速度有關(guān)，還與刀心坐標(biāo)相距回轉(zhuǎn)中心的空間距離有關(guān)，同時還跟曲面的曲率變化也有關(guān)，因此其進給速度在3000mm/min左右動態(tài)變化。如圖3所示，經(jīng)恒定值法處理后的程序，其進給速度為預(yù)先設(shè)置好的基本速度。

(2)采用旋轉(zhuǎn)修正法與參考文獻［4］中的恒定值法加工效果的對比

采用上述兩種方法對一葉片的刀位源文件分別后置處理得到上述兩個坐標(biāo)值相同且進給速度不同的程序，由于葉輪有九個葉片，在G54坐標(biāo)下加工葉片3與葉片2時，只需機床工件坐標(biāo)參數(shù)上使C角偏轉(zhuǎn)40°即可，加工后的葉片對比如圖4、5所示。通過實驗對比，可以發(fā)現(xiàn)，采用旋轉(zhuǎn)修正法切削葉片時翻邊處比較平穩(wěn)，過渡區(qū)域沖擊小，且加工后的葉片比較光順、圓角過渡比較平滑、整體效果也比較好;而采用恒定值法加工后的葉片曲面上的殘留量與過切量都比較明顯，特別是葉片翻邊處，過切量大，整體效果也不理想。

圖2 葉片2經(jīng)旋轉(zhuǎn)修正法處理后的程序

圖3 葉片3經(jīng)恒定值法處理后的程序

圖4 旋轉(zhuǎn)修正法加工葉片2實物圖

圖5 恒定值法加工葉片3實物圖

2.2 機床加工驗證

根據(jù)UG8.0將葉輪的刀軌前置處理生成刀位源文件，在JAVA語言環(huán)境下，結(jié)合旋轉(zhuǎn)修正法編寫專用后置處理器，處理后的程序經(jīng)VERICUT7.0仿真無誤后，在BV100五軸加工中心上加工切削，加工過程中刀具平穩(wěn)、機床無抖動現(xiàn)象，且加工表面質(zhì)量良好。驗證了此后置處理軟件的正確性。加工后的實物圖如圖6所示。

圖6葉輪整體實物圖

3 結(jié)束語

本文針對BV100五軸聯(lián)動加工中心為例，為解決五軸機床在實際加工中因進給速度選用不當(dāng)會影響加工表面質(zhì)量等問題，本文提出了一種處理進給速度的限制方法，并對葉輪的葉片進行加工比較，最終確定旋轉(zhuǎn)修正法的效果比較良好。此方法為以后五軸加工行業(yè)提供了一定的參考。

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