前言

我廠有一臺意大利 FIDIA S.P.A公司生產的六坐標高速銑削加工中心KR214，該設備主軸可實現雙擺動,工作臺為數控回轉工作臺,主軸最高轉速24000rpm,采用的是FIDIA C20數控系統，該機床主要用于加工某整體艙段。整體艙段的結構為圓柱體和圓錐體的鋁合金鍛件，兩端端框加中間蒙皮結構形式，艙體外表面有U型槽、各種方孔、圓孔和橢圓孔；內型面兩端有內U型柄；下陷、環形筋、兩端面有花邊和對接孔，蒙皮厚度一般為3mm。內型空間較小，結構復雜、壁薄、加工型面多。刀具軌跡復雜、多軸聯動、機床主軸頭進入艙體內加工、進退刀難以實現、易產生碰撞和干涉現象、加工風險大等特點。針對以上問題，本文研究了艙體多軸高速銑削的一些關鍵技術。

1高速銑削工藝技術

高速銑削因其切削速度高、切削穩定、切削力小，特別適用于加工易產生熱變形的產品。我廠生產的產品中薄壁件較多（口框、支架等），一般的加工銑削方法，零件變形大、形位公差不易保證，多采取增加時效或多次反復加工的方式但仍然很難保證產品質量，且工序較長，加工周期長。高速切削切削深度和切削力小，使得刀具、工件變形小，保持了尺寸的精確性，也使得切削破壞層變薄，殘余應力小，適合于加工薄壁件。針對高速銑削的工藝特點，以三種大型框體、薄壁件（尺寸在700×400以上）為對象，進行工藝試驗，摸索了工藝流程，達到減少工序、提高質量、縮短周期的目的。

1）高速銑平面度可達到0.02mm以上，一般平面加工可以取代立車平端面的工序；
2）薄壁件的加工裝夾很重要，一般擠壓式比上壓式變形小；
3）粗加工是追求單位時間內的最大切除量，對表面質量和精度要求不高，重要的是讓機床平衡工作，避免切削方向的急劇變化；
4）半精加工是為了把前道工序加工后的殘留變得平滑，余量均勻。因此半精加工應沿著粗加工后的輪船銑削，切入過程穩定，切削連續；
5）精加工軌跡應緊貼零件表面，圓滑平穩，沿劇烈的方向變化。  

2高速切削編程

高速切削編程質量直接影響產品的質量，編程要注意：

1）盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；
2）一般采用順銑，順銑可產生較少的切削熱，降低刀具負載，獲得較好的表面質量；
3）減少速度的急劇變化和刀具的急劇換向，使軌跡光順；
4）減少刀具的切入切出，獲得穩定的切削過程；
5）減少銑削負荷變化，使用權加工余量控制均勻；
6）對于五軸加工，空間曲面加工涉及的內容比較多，涉及加工導動曲面、干涉面、軌跡限制區域、進退刀及刀軸矢量控制等技術內容。加工軌跡設計的關鍵在于通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃切削加工來完成。刀具軸的矢量變化控制一般有如下幾種方式（如圖1所示）。從刀具軸的矢量控制方式來看，五軸數控銑削加工的切削方式可以根據實際產品的加工來進行合理的刀具軌跡設計規劃。

3 多軸加工仿真技術的應用與開發
由于五坐標高速銑削加工時，刀具軌跡比較復雜，刀具運動速度非常快，加工風險極大，因而采用傳統試驗切削的方法去驗證程序時不僅效率低、占機和調試時間長，而且本身驗證過程中涉及的風險較大，同時手工很難將程序修改至預定目標，因此對這類機床的加工進行仿真技術的應用是非常關鍵的。

VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發的數控加工仿真系統，由NC程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、優化路徑模塊、多軸模塊、高級機床特征模塊、實體比較模塊和CAD/CAM接口等模塊組成，可仿真各種CNC系統，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序，其整個仿真過程包含程序驗證、分析、機床仿真、優化和模型輸出等。如圖2所示為從設計原型→CAM軟件→VERICUT→切削模型→模型輸出的整個機床仿真工藝流程。

3.1 工藝系統仿真環境構建程序

為在VERICUT軟件實現NC程序加工仿真，需要預先構建整個工藝系統的仿真環境。

其構建的一般過程如下：工藝系統分析（確定數控機床CNC系統型號和功能、機床結構形式和尺寸、機床運動原理、各坐標軸行程、機床坐標系統以及所用到的毛坯、刀具庫和夾具庫等）→建立機床幾何模型（建立機床運動部件和固定部件的實體幾何模型，并轉換成VERICUT軟件可用的STL格式）→建立機床文件（建立機床運動模型，即部件樹,添加各部件的幾何模型，并準確定位）→建立用戶文件和控制系統文件（給機床配置數字控制系統）→建立刀具庫→設置機床參數（機床參數需要設置，比如各軸行程、機床零點、機床參考點、機床換刀點等）→保存所有文件。
 
如圖3所示為某整體艙段零件，材料為鋁鍛件，零件內部有很多的型面需要加工，但內部空間較小，防止碰撞安全加工是重要的內容，利用Vericut可以精確地仿真加工過程，對產生的碰撞實時調整，實現安全加工。

4后處理程序的開發

后置處理最重要的是將CAM軟件生成的刀位軌跡轉化為適合數控系統加工的NC程序，通過讀取刀位文件，根據機床運動結構及控制指令格式，進行坐標運動變換和指令格式轉換。只有采用正確的后置處理系統才能將刀位軌跡輸出為相應數控系統機床并能正確進行加工的數控程序，因此編制正確的后置處理系統模板是數控編程與加工的前提條件和關鍵技術之一。后處理的主要內容包括三個方面的內容：數控系統控制指令的輸出：主要包括機床種類及機床配置、機床的定位、插補、主軸、進給、暫停、冷卻、刀具補償、固定循環、程序頭尾輸出等方面的控制；格式轉換：數據類型轉換與圓整、字符串處理等：主要針對數控系統的輸出格式如單位、輸出地址字符等方面的控制；算法處理：主要針對多坐標加工時的坐標變換、跨象限處理、進給速度控制。

4.1 以UGNX為例介紹后處理的開發過程

1） 認識后處理程序結構
2） 五坐標機床加工刀位文件數據結構

UGNX中的五坐標數控銑削加工，刀位文件的結構主要包括關鍵字及數字信息。關鍵字主要包括刀具Tool及其參數Tldata、主軸轉速Speed、進給速度Fedrat、直線插補GOTO、圓弧插補CIRCLE,子程序調用及循環調用Cycle、潤滑及程序結束End等。刀位點信息主要包括刀具坐標點X、Y、Z及刀具軸矢量信息VectorX、VectorY、VectorZ。后處理的主要任務就是如何針對刀位文件的數據結構信息，經過幾何變換、數值計算與求解、代碼文件輸出、格式匹配為數控機床系統識別的加工程序代碼。

3） 五坐標數控機床后置處理算法

一般來說，五坐標聯動是指數控機床的X、Y、Z三個移動坐標和繞X、Y、Z軸旋轉的三個轉動坐標A、B、C中的任意五個坐標的線性插補運動，通常是X、Y、Z與三個轉動坐標A、B、C中的任意二個組成的五坐標聯動，如圖4所示為五坐標機床的坐標系統。轉動坐標A、B、C的運動可由回轉工作臺的轉動來實現，也可以由刀具的擺動來實現。由于不同類型數控機床的運動方式不一致，因而其后置處理算法也不相同。五坐標加工的機床運動坐標是刀具相對于機床運動坐標系的坐標，而不是刀具相對于工件坐標系的坐標 （如圖5所示）。

4）幾個要注意的問題

在應用帶回轉工作臺的四坐標或五坐標數控機床上進行加工時，需要注意以下幾個問題：

① 回轉運動字地址問題  

回轉工作臺的旋轉運動由一回轉運動字地址代碼及其轉角表示，該字地址代碼一般是A、B、C、U、V、W中的一個，但一般情況下并不代表與坐標軸的對應關系，就是說A（或U）不一定表示回轉工作臺繞X軸旋轉，B（或V）不一定表示回轉工作臺繞Y軸旋轉，C（或W）不一定表示回轉工作臺繞Z軸旋轉，而要求編程者非常清楚其運動關系，以便應用上述算法進行后置處理，輸出時將轉角代入回轉工作臺的字地址。其次還應注意，一般四坐標數控機床回轉工作臺是作為機床的附件提供給用戶的，可以按工藝要求安裝在機床的工作臺上（就像安裝分度頭一樣安裝在銑床的工作臺上），這樣回轉工作臺的轉軸可以與X軸一致，可以與Y軸一致，也可以與Z軸一致，在后置處理時應特別注意，這個問題在四坐標數控加工中經常遇到。

② 轉角走向問題

該問題產生的原因是兩個刀位分屬于第Ι和第Π象限（在YZ平面內），該問題的解決辦法的出發點是將轉角+360°或-360°，這樣不影響工作的實際位置，而使刀具按所要求的軌跡運動。多坐標數控加工兩連續的刀位點之間是線性插補，兩刀位點之間的角度差不允許太大（＜＜90°），否則線性插補誤差很大。

③進刀點、退刀點和進退刀動作；
④輸出刀具信息事件的處理；
⑤平移坐標系和旋轉軸處理。

4.2 KR214后處理程序的開發

FIDIA KR214為帶旋轉工作臺的六軸五聯動高速銑削加工中心，其機床運動類型如圖6所示，其中C軸為主動軸、A軸為從動依附軸、旋轉工作臺為W軸。由于現有的CAM軟件大多不支持六軸聯動的數控程序后處理，且實際加工中，一般的五軸聯動足夠滿足生成的需要。針對該機床加工的特性，根據需要可編制X、Y、Z、A、C五個軸聯動后處理程序以及包括三個線性軸及A/W的五軸后處理程序。這兩種后處理程序方案即可滿足工程需求，修改適合KR214(或K211)數控機床的后處理程序。