利用角度頭的五軸宏程序加工

溫南方

摘 要：綜合運(yùn)用角度頭、宏程序、模擬仿真等多項加工技術(shù)，在典型案例上實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)不同結(jié)構(gòu)的加工。利用角度頭可以解決常用刀柄無法加工內(nèi)側(cè)尺寸的難題。宏程序可以充分發(fā)揮角度頭的作用。運(yùn)用VERICUT軟件模擬，預(yù)防刀具與工件發(fā)生碰撞，檢查過切和殘留，優(yōu)化加工參數(shù)。

關(guān)鍵詞：角度頭；VERICUT；模擬仿真；宏程序；加工

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0040-01

航空發(fā)動機(jī)上的工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間有限，從工藝制造學(xué)上來說，可加工性較差，尤其在工件內(nèi)側(cè)。車銑刨磨等常規(guī)加工方法不能實(shí)現(xiàn)，大量依靠非常規(guī)加工，如線切割、電火花，而非常規(guī)加工中工藝控制要求嚴(yán)格，加工效率比常規(guī)加工低得多，兩者相比相差10倍以上。

1 典型案例分析

工件內(nèi)側(cè)需要加工8個槽，位于安裝邊下方。其中4個槽寬6mm，圓角為R0.5mm，內(nèi)側(cè)為平面；另外4個槽寬13mm，圓角為R0.5mm，內(nèi)側(cè)為R73mm的圓弧，此案例中普通的刀柄是無法加工的。能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)側(cè)槽加工加工方案有兩種：第一種是電火花加工，第二種是采用角度頭加工。

在電火花加工方案中至少需要兩種電極，加工一件的時間在8小時以上，加工周期長。

在角度頭加工方案中，存有諸多問題。問題1：角度頭與主軸成90°角度，工件上4個方位，需要4次裝夾，找正不方便；問題2：數(shù)銑的刀具伸長存在的誤差為±0.5mm，不能通過刀具長度偏置G43補(bǔ)償角度頭刀長；問題3：因需要固定刀具方向，角度頭不能使用自動換刀功能；問題4：內(nèi)側(cè)R73mm的圓弧如何形成。

2 設(shè)備選擇和程序編制

為了達(dá)到加工效率最大化，采用第二種采用角度頭的加工方案。針對分析提出的4個問題，制定4項措施。

措施1：在轉(zhuǎn)臺上一次裝夾代替多次裝夾。

選擇有轉(zhuǎn)臺的數(shù)控設(shè)備或五軸加工中心，旋轉(zhuǎn)軸帶動工件轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)工件4個方位的加工。操作時，只需加工前將工件裝夾在旋轉(zhuǎn)軸上，即可完成每一個工位的加工。

措施2：用宏程序計算刀具補(bǔ)償值。

數(shù)控設(shè)備的G43位刀具長度偏置，偏置方向為主軸方向，不適用于角度頭上刀具長度偏置。為此，有必要使用宏程序來編程，使用一個變量（#1）表示實(shí)際刀具伸長，通過公式計算出補(bǔ)償量。案例中4個寬6mm，內(nèi)側(cè)為平面的槽的宏程序內(nèi)容及解釋如（表1）。

宏程序中可以實(shí)現(xiàn)角度頭上刀具伸長的自動補(bǔ)償。變量#1為輸入刀具實(shí)際伸出長度。當(dāng)?shù)毒呱斐鲩L度等于60mm時，變量#501為0，按理論值加工；當(dāng)?shù)毒呱扉L大于60mm時，變量#501為負(fù)數(shù)，執(zhí)行局部坐標(biāo)系，刀具后退；當(dāng)?shù)毒呱斐鲩L度小于60mm時，變量#501為正數(shù)，執(zhí)行局部坐標(biāo)系，刀具前進(jìn)。

措施3：用1把刀將8個槽全部加工完成。

寬13mm槽和寬6mm槽的刀具均為φ6mm，R0.5mm銑刀，目的是用1把刀將所有加工內(nèi)容完成，不必進(jìn)行換刀。

在局部坐標(biāo)系使用變量#501，其目的是加工后面加工是時用到變量#501，不需在每一段輸入刀長值，防止遺漏。因為#501為公共變量，即使斷電也不丟失。

措施4：設(shè)計宏程序，將圓弧按曲面加工。

在4個寬13mm槽，側(cè)面是R73mm的圓弧，相當(dāng)于數(shù)銑中曲面加工，編程時采用平行式曲面加工，即轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一定角度后，刀具沿Z軸進(jìn)行上或下運(yùn)動。

曲面加工的程序通常是編程軟件生成的，采用大量的小段直線去插補(bǔ)曲面加工。這樣的程序有一個缺點(diǎn)：曲面曲率越大、曲面加工精度越高，所生成的數(shù)控程序越長，而且調(diào)整非常不便。宏程序可以解決精度大小與程序長短的矛盾。寬13mm槽的宏程序采用兩級循環(huán)嵌套。第一級循環(huán)與寬6mm槽的程序類似，實(shí)現(xiàn)不同角度加工和刀具伸長補(bǔ)償。第二級循環(huán)為曲面加工循環(huán)，通過調(diào)整控制步距的變量：#3，可以調(diào)整曲面加工精度，獲得需要的粗糙度等級。曲面加工采用宏程序后，程序大大簡化。

3 用VERICUT進(jìn)行模擬仿真

角度頭要進(jìn)入工件內(nèi)側(cè)進(jìn)行加工，并且工件的上端有安裝邊，為了避免角度頭、刀具與工件發(fā)生碰撞，加工前需要在計算機(jī)進(jìn)行模擬仿真。常用的仿真軟件是VERICUT，該軟件采用了三維顯示及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以驗證和檢測NC程序可能存在的碰撞、干涉、過切、切削參數(shù)不合理等問題，較廣泛的應(yīng)用于航空、航天、船舶、電子、汽車、機(jī)車、模具、動力及重工業(yè)的三軸及多軸的實(shí)際生產(chǎn)中。

在建立仿真模型中難度最大的是刀具方向、伸長設(shè)置。仿真軟件中默認(rèn)刀具是在主軸中心線上，而角度頭、刀具與主軸中心線成90°，刀具朝X軸正方向加工。

第1步：在VERICUT中選擇“刀具組件”選項卡設(shè)置刀具直徑、圓角半徑、高、刃長、刀桿直徑、主軸方向后，點(diǎn)“添加”按鈕，出現(xiàn)了豎直的刀具圖形。

第2步：選擇“組合”選項卡中可以設(shè)定刀具移動，角度設(shè)置為：0 -90 0，表示刀具繞Y軸旋轉(zhuǎn)-90°；位置設(shè)置為：60 0 0，表示刀具沿X軸移動60mm，得出理論刀具伸長，點(diǎn)擊“修改”按鈕，刀具圖形變?yōu)樗剑毒咴O(shè)置成功。

第3步：將刀柄組件建立比例為1：1的方塊、圓柱、圓錐即可完成角度頭刀柄建模。

通過VERICUT確定變量#3的合理設(shè)置。在VERICUT模擬仿真中使用“自動-比較”功能計算過切和殘留，因而可以將控變量#3設(shè)置的更為合理，一方面保證曲面精度和粗糙度，另一方面時間最短。程序中#3=0.08，精度在0.003mm，滿足要求，加工時間為19分鐘。

4 結(jié)語

角度頭是一種機(jī)床附件，機(jī)床安上角度頭后刀具旋轉(zhuǎn)中心線可以與主軸旋轉(zhuǎn)中心線成角度加工工件。

用戶宏程序由于允許使用變量、算術(shù)和邏輯運(yùn)算及條件轉(zhuǎn)移，使得編制同樣的加工程序更簡便。宏程序可以設(shè)置變量解決角度頭刀具長度補(bǔ)償?shù)碾y題，充分發(fā)揮角度頭的作用。在曲面加工編程中，宏程序程序更具有可讀性，可以方便調(diào)整曲面精度和表面粗糙度。

模擬仿真是在計算機(jī)上模擬數(shù)控加工。通過模擬仿真，可以將數(shù)控程序試加工的步驟在計算機(jī)上完成，減少浪費(fèi)，提高驗證數(shù)控程序的效率。

綜合運(yùn)用角度頭、宏程序、模擬仿真等多項加工技術(shù)，來解決工件加工的問題，將可加工性較差的內(nèi)側(cè)加工轉(zhuǎn)化思路，可以將需要用非常規(guī)加工的內(nèi)容采用數(shù)銑完成，大大縮短加工時間，實(shí)現(xiàn)快速加工。

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