组合式六角亭五轴数控加工工艺设计
时间：2023-06-16 18:20:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李体仁，张超，王启，高磊，赵耕伯，李文飞
（陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021）
待加工六角亭模型如图1所示，材料为6061铝合金，由上层、下层与基座三部分组成，模型最大直径Dmax=148 mm，总高度H=160 mm，模型的最小圆角半径R=0.5 mm。六角亭其外形精美，结构复杂，整体数控加工实现困难。针对此问题，采用结构拆分的方式将上层、下层与基座独立加工，待各层加工完成后将三者以孔、轴配合的方式组装。
图1 组合式六角亭模型
六角亭下层模型加工时涉及到深型腔加工和倒扣区域加工，上层模型涉及到窗格类的薄壁件加工，需要选用合理的加工策略、走刀路径，保证模型的表面质量，避免过切、碰撞或欠加工。上、下层模型形状特殊，在五轴机床加工，一面加工完成后，需要翻面加工另一面，缺乏基准，通过设计工艺圆柱和专用夹具，保证加工的精确性，避免模型加工时受力变形。
上下层模型由屋顶、下檐、窗户、支柱和座椅5个部分组成，如图2所示。模型内部镂空，形状复杂，针对其结构特点，分析加工过程存在以下3个难点：1）窗户和下层模型支柱整体刚性比较差，无法直接加工，则通过添加辅助面提升其刚性，再对其进行刀路轨迹的设计；
2）下层模型相邻支柱间添加辅助面后，形成与支柱等高的深型腔，加工时需要解决深型腔的问题；
3）座椅采用倒扣加工，使刀具从座椅正对一侧的两支柱之间伸入，需解决刀具与刀柄伸入过长、刚度不足和刀柄与两侧支柱碰撞的问题。
图2 上下层模型分析
1.1 窗户加工
1）建立辅助面。
窗户加工轨迹分为单个窗格型腔内加工轨迹和窗格桁架走刀轨迹[1]。窗格厚度为1.5 mm，模型内部镂空，窗格型腔大，靠桁架连接，整体刚性差；
同时，桁架数量多，单个进行刀路规划比较复杂，整体刀路规划时，窗户表面编程时刀路计算容易出现“掉刀”的情况。因此在窗户上增加辅助面，既能补充窗户的刚度，又可以防止对桁架整体做刀路规划时，刀路计算出现“掉刀”的情况，如图3（b）所示。
2）窗户的刀位规划。
对于单个窗格型腔内加工轨迹的规划，考虑到窗格空格大、厚度小的特点，采用分层环切法对窗格结构进行加工[2]，选取网状型腔桁架侧面为导动面，生成环切的刀路轨迹，如图3（a）所示。环切时利用刀具侧刃加工，与工件接触面积大，加工效率高，切削力小，既能保证零件的加工精度，又能使窗格型腔加工时不会变形。
窗格桁架为各个窗格之间的连接，单独做刀路轨迹比较复杂，窗户整体添加辅助面后，只需对窗户面进行整体刀路规划即可，如图3（b）所示。但添加辅助面的窗户可以看作厚度为1.5 mm的薄壁板，常规加工切削力较大，易变形，且加工时切屑不易排出，与刀具多次碰撞会发生弹性变形和塑性变形，同时产生大量切削热并传递给刀具，使工件各个部位的受热不同而发生热变形。因此选择采用高速铣削加工降低切削力和切削热，控制其加工变形。
图3 窗户加工策略
3）高速铣削加工。
高速铣削加工技术作为先进制造技术的一项重要加工方式，目前已成为数控加工行业重要发展方向，在航空航天大型薄壁复杂结构件加工中得到了广泛应用[3-5]。由于高速加工切削速度和进给速度较大，使其具有加工效率高、切削力小和加工质量高的特点，适合加工薄壁易变形的零件，同时可以有效地改善零件的局部变形情况。故薄壁窗户采用高速铣削加工，可以解决常规加工窗户变形的问题。采用高速切削的加工方式加工薄壁窗户表面，可以保证零件的尺寸精度和形位精度；
由于径向进给小，断屑能力强，加工过程产生的大部分切屑热量来不及传给刀具便飞溅出去，有效提高切削过程的稳定性。
高速加工也要选择合适的加工策略和走刀路径，加工策略选取不合适会造成工件加工质量差、缩短刀具寿命和增加加工成本。本次加工的工件材料是铝，刀具材料为硬质合金，对窗格高速铣削时，采用高速摆线铣削，选取窗户表面为加工面，生成摆线刀路轨迹如图3（b）所示,同时将主轴转速设为15 000 r/min，通过计算将切削速度设为2000 m/min，进给速度设为3000 mm/min，切削力足够小，能够完成对窗户桁架的加工。
1.2 下层模型底部加工
1）建立辅助面。
下层模型底部由支柱、窗户与座椅构成，支柱直径为φ7 mm，高为65 mm，其刚性差，不稳定，直接加工易发生振动。因此在相邻支柱之间增加辅助面，使6根支柱通过面来连接，提升模型底部结构的刚度和稳定性，如图4（a）所示。但添加辅助面后，使模型底部变成了高度为65 mm的深型腔。
2）深型腔加工策略。
深型腔加工时机床与主轴会发生振动，刀杆与侧壁会发生摩擦碰撞，可能会出现断刀、表面粗糙等问题[6]。针对深型腔加工提出两个方案：1）采用五轴加工的方式，将刀具倾斜一定角度，刀具进行环形铣削，如图4（b）所示。2）在模型侧面增加一定的斜度，避免侧壁与刀柄摩擦，如图4（c）所示。
图4 底部深型腔加工策略
由于模型复杂，辅助线与辅助面较多，使用方案一使得编程更复杂，且加工效率低。方案二采用定轴加工，效率高、编程与加工简单；
方案二虽然改变了模型侧面的斜度，但在加工完成后会切除模型侧面，只留下支柱与座椅，不会影响模型最终的形状，因此选择方案二。通过计算将模型侧面增加3°的斜度，型腔侧壁不会与刀杆发生碰撞和摩擦。型腔加工完成后再把辅助面铣掉，最后对支柱采用等高精加工的策略进行精铣。
1.3 下层模型座椅加工
下层模型座椅位置以负面为主。在对其进行表面精加工及清根时，需要采用倒扣加工的方法[7]。如图5所示，倒扣加工时刀具需穿过对面方形空间铣削座椅，受空间限制，刀柄与支柱、窗户存在碰撞风险。为保证加工过程安全，工作台最大翻转角度应控制在120°内，同时选用细长的刀具和刀柄，避免碰撞干涉。但是刀具和刀柄伸入较长，类似悬臂梁结构，刚度不足，易发生振动。提升悬臂梁刚度有3种方式：增加臂的直径、缩短臂的长度或增加材料的弹性模量。本次倒扣加工刀具需要伸入较长，所以不能通过缩短刀具长度来提升刀具的刚度；
因此需要根据材料特性，通过增大刀具半径来提升刀具的刚度，完成对座椅的加工。
图5 座椅倒扣加工策略
1）加工方案。
依据先粗后精和先主后次的加工原则，对上下层模型关键区域进行工艺分析，确定整体加工顺序为:上层模型先加工底部的下檐、支柱和窗户，加工完成后翻转180°，使用专用夹具装夹上层模型，再加工模型顶部的屋顶。下层模型先加工顶部的屋顶和孔，加工完成后翻转180°再加工底部的下檐、支柱、窗户和座椅。基座结构简单，属于典型的盘类零件，直接加工顶部的凸台和孔。最后将上下层模型和基座通过轴孔配合组装起来，完成组合式六角亭的整体加工。
2）模型装夹。
本次六角亭所有模型加工均采用三爪卡盘装夹，满足五点定位。上下层模型形状特殊，一面加工完成后另一面无法装夹，因此处理毛坯时均在其顶部预留一个工艺圆柱，以顶部平面为定位基准，对模型底部加工时用三爪卡盘夹持，加工完成后再去除工艺圆柱，如图6所示。
图6 装夹模型毛坯
翻面加工上层模型顶部时，底部由支柱和窗户构成，刚性差，无法直接装夹，需设计专用夹具。加工1个直径为150 mm的圆盘，圆盘周围加工6个台阶孔，下方预留1个φ40 mm的工艺圆柱，再对模型6根支柱底部加工6个螺纹孔和螺纹，用螺栓将上层模型固定在圆盘上，如图7所示。将圆盘与模型视为整体进行定位分析，以圆盘底面为定位基准，使用三爪卡盘装夹工艺圆柱，满足五点定位。
图7 上层模型装夹
生成所有刀位轨迹后，采用DMU 65 mono BLOCK五轴加工中心的专用后置处理将刀位轨迹转换成数控系统可以识别的NC程序，在VERICUT数控仿真软件中进行多工位翻面加工模拟仿真[8-9]，对刀位轨迹安全性进行检查。
六角亭模型中的屋檐和座椅部分均为复杂曲面，采用五轴联动加工模式，窗格与顶部结构相对简单，采用3+2定轴加工模式。对含有角度和弧度的屋檐结构，采用3+2定轴加工开粗，将机床转过一定角度，以普通三轴的加工方式加工，可以有效地减少刀具移动距离，缩短加工时间，且刀具伸入不需要太长，刀具加工时更稳定，加工效率高；
采用五轴等高精加工的方法进行精加工，根据设定的下切步距把曲面按照层切方式分割，得到曲面加工刀路，控制刀轴矢量进行五轴联动加工，加工过程如图8所示。窗格属于多型腔结构，选用3+2定轴加工策略，用分层环切的方式加工，保证加工窗格时受力小，不变形。倒扣方向复杂的座椅面为平滑曲面，且两侧有相同的规则边界，采用投影精加工的方法对其进行精加工，使刀具从正对一侧的两支柱之间伸入进行五轴联动加工。
图8 五轴联动加工过程
在仿真验证安全的情况下，将NC程序导入机床进行数控加工，完成了六角亭模型的上层、下层和基座的全部加工，最后将模型进行组装，结果如图9所示。检测实际加工结果，窗户变形很小，所有部位的尺寸精度和表面粗糙度基本满足要求。
图9 六角亭加工实物
本文以组合式六角亭模型为实例，分析工艺难点与加工可行性，指出该模型的加工难点是模型形状不规则和整体刚性差，并通过设计新的工艺方案解决加工难点，完成了模型整体的加工。新的加工工艺有助于提高加工效率和精度，为五轴数控加工提供了一个典型案例，对于五轴机床数控加工也具有指导作用和重要的实际意义。
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