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铝合金高速铣削关键技术研究

铝合金高速铣削关键技术研究 2011年12月04日 来源： 前言我厂有一台意大利 FIDIA S.P.A公司生产的六坐标高速铣削加工中心KR214，该设备主轴可实现双摆动,工作台为数控回转工作台,主轴最高转速24000rpm,采用的是FIDIA C20数控系统，该机床主要用于加工某整体舱段。整体舱段的结构为圆柱体和圆锥体的铝合金锻件，两端端框加中间蒙皮结构形式，舱体外表面有U型槽、各种方孔、圆孔和椭圆孔；内型面两端有内U型柄；下陷、环形筋、两端面有花边和对接孔，蒙皮厚度一般为3mm。内型空间较小，结构复杂、壁薄、加工型面多。刀具轨迹复杂、多轴联动、机床主轴头进入舱体内加工、进退刀难以实现、易产生碰撞和干涉现象、加工风险大等特点。针对以上问题，本文研究了舱体多轴高速铣削的一些关键技术。1高速铣削工艺技术高速铣削因其切削速度高、切削稳定、切削力小，特别适用于加工易产生热变形的产品。我厂生产的产品中薄壁件较多（口框、支架等），一般的加工铣削方法，零件变形大、形位公差不易保证，多采取增加时效或多次反复加工的方式但仍然很难保证产品质量，且工序较长，加工周期长。高速切削切削深度和切削力小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，适合于加工薄壁件。针对高速铣削的工艺特点，以三种大型框体、薄壁件（尺寸在700×400以上）为对象，进行工艺试验，摸索了工艺流程，达到减少工序、提高质量、缩短周期的目的。1）高速铣平面度可达到0.02mm以上，一般平面加工可以取代立车平端面的工序；2）薄壁件的加工装夹很重要，一般挤压式比上压式变形小；3）粗加工是追求单位时间内的最大切除量，对表面质量和精度要求不高，重要的是让机床平衡工作，避免切削方向的急剧变化；4）半精加工是为了把前道工序加工后的残留变得平滑，余量均匀。因此半精加工应沿着粗加工后的轮船铣削，切入过程稳定，切削连续；5）精加工轨迹应紧贴零件表面，圆滑平稳，沿剧烈的方向变化。 2高速切削编程高速切削编程质量直接影响产品的质量，编程要注意：1）尽可能减少程序块，提高程序处理速度；2）一般采用顺铣，顺铣可产生较少的切削热，降低刀具负载，获得较好的表面质量；3）减少速度的急剧变化和刀具的急剧换向，使轨迹光顺；4）减少刀具的切入切出，获得稳定的切削过程；5）减少铣削负荷变化，使用权加工余量控制均匀；6）对于五轴加工，空间曲面加工涉及的内容比较多，涉及加工导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等技术内容。加工轨迹设计的关键在于通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有如下几种方式（如图1所示）。从刀具轴的矢量控制方式来看，五轴数控铣削加工的切削方式可以根据实际产品的加工来进行合理的刀具轨迹设计规划。

3 多轴加工仿真技术的应用与开发由于五坐标高速铣削加工时，刀具轨迹比较复杂，刀具运动速度非常快，加工风险极大，因而采用传统试验切削的方法去验证程序时不仅效率低、占机和调试时间长，而且本身验证过程中涉及的风险较大，同时手工很难将程序修改至预定目标，因此对这类机床的加工进行仿真技术的应用是非常关键的。VERICUT软件是美国CGTECH公司开发的数控加工仿真系统，由NC程序验证模块、机床运动仿真模块、优化路径模块、多轴模块、高级机床特征模块、实体比较模块和CAD/CAM接口等模块组成，可仿真各种CNC系统，既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置处理的NC程序，其整个仿真过程包含程序验证、分析、机床仿真、优化和模型输出等。如图2所示为从设计原型→CAM软件→VERICUT→切削模型→模型输出的整个机床仿真工艺流程。

3.1 工艺系统仿真环境构建程序为在VERICUT软件实现NC程序加工仿真，需要预先构建整个工艺系统的仿真环境。其构建的一般过程如下：工艺系统分析（确定数控机床CNC系统型号和功能、机床结构形式和尺寸、机床运动原理、各坐标轴行程、机床坐标系统以及所用到的毛坯、刀具库和夹具库等）→建立机床几何模型（建立机床运动部件和固定部件的实体几何模型，并转换成VERICUT软件可用的STL格式）→建立机床文件（建立机床运动模型，即部件树,添加各部件的几何模型，并准确定位）→建立用户文件和控制系统文件（给机床配置数字控制系统）→建立刀具库→设置机床参数（机床参数需要设置，比如各轴行程、机床零点、机床参考点、机床换刀点等）→保存所有文件。 如图3所示为某整体舱段零件，材料为铝锻件，零件内部有很多的型面需要加工，但内部空间较小，防止碰撞安全加工是重要的内容，利用Vericut可以精确地仿真加工过程，对产生的碰撞实时调整，实现安全加工。

4后处理程序的开发后置处理最重要的是将CAM软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。只有采用正确的后置处理系统才能将刀位轨迹输出为相应数控系统机床并能正确进行加工的数控程序，因此编制正确的后置处理系统模板是数控编程与加工的前提条件和关键技术之一。后处理的主要内容包括三个方面的内容：数控系统控制指令的输出：主要包括机床种类及机床配置、机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、程序头尾输出等方面的控制；格式转换：数据类型转换与圆整、字符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等方面的控制；算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速度控制。4.1 以UGNX为例介绍后处理的开发过程1） 认识后处理程序结构2） 五坐标机床加工刀位文件数据结构 UGNX中的五坐标数控铣削加工，刀位文件的结构主要包括关键字及数字信息。关键字主要包括刀具Tool及其参数Tldata、主轴转速Speed、进给速度Fedrat、直线插补GOTO、圆弧插补CIRCLE,子程序调用及循环调用Cycle、润滑及程序结束End等。刀位点信息主要包括刀具坐标点X、Y、Z及刀具轴矢量信息VectorX、VectorY、VectorZ。后处理的主要任务就是如何针对刀位文件的数据结构信息，经过几何变换、数值计算与求解、代码文件输出、格式匹配为数控机床系统识别的加工程序代码。3） 五坐标数控机床后置处理算法一般来说，五坐标联动是指数控机床的X、Y、Z三个移动坐标和绕X、Y、Z轴旋转的三个转动坐标A、B、C中的任意五个坐标的线性插补运动，通常是X、Y、Z与三个转动坐标A、B、C中的任意二个组成的五坐标联动，如图4所示为五坐标机床的坐标系统。转动坐标A、B、C的运动可由回转工作台的转动来实现，也可以由刀具的摆动来实现。由于不同类型数控机床的运动方式不一致，因而其后置处理算法也不相同。五坐标加工的机床运动坐标是刀具相对于机床运动坐标系的坐标，而不是刀具相对于工件坐标系的坐标 （如图5所示）。

4）几个要注意的问题在应用带回转工作台的四坐标或五坐标数控机床上进行加工时，需要注意以下几个问题：① 回转运动字地址问题 回转工作台的旋转运动由一回转运动字地址代码及其转角表示，该字地址代码一般是A、B、C、U、V、W中的一个，但一般情况下并不代表与坐标轴的对应关系，就是说A（或U）不一定表示回转工作台绕X轴旋转，B（或V）不一定表示回转工作台绕Y轴旋转，C（或W）不一定表示回转工作台绕Z轴旋转，而要求编程者非常清楚其运动关系，以便应用上述算法进行后置处理，输出时将转角代入回转工作台的字地址。其次还应注意，一般四坐标数控机床回转工作台是作为机床的附件提供给用户的，可以按工艺要求安装在机床的工作台上（就像安装分度头一样安装在铣床的工作台上），这样回转工作台的转轴可以与X轴一致，可以与Y轴一致，也可以与Z轴一致，在后置处理时应特别注意，这个问题在四坐标数控加工中经常遇到。② 转角走向问题该问题产生的原因是两个刀位分属于第Ι和第Π象限（在YZ平面内），该问题的解决办法的出发点是将转角+360°或-360°，这样不影响工作的实际位置，而使刀具按所要求的轨迹运动。多坐标数控加工两连续的刀位点之间是线性插补，两刀位点之间的角度差不允许太大（＜＜90°），否则线性插补误差很大。③进刀点、退刀点和进退刀动作；④输出刀具信息事件的处理；⑤平移坐标系和旋转轴处理。4.2 KR214后处理程序的开发FIDIA KR214为带旋转工作台的六轴五联动高速铣削加工中心，其机床运动类型如图6所示，其中C轴为主动轴、A轴为从动依附轴、旋转工作台为W轴。由于现有的CAM软件大多不支持六轴联动的数控程序后处理，且实际加工中，一般的五轴联动足够满足生成的需要。针对该机床加工的特性，根据需要可编制X、Y、Z、A、C五个轴联动后处理程序以及包括三个线性轴及A/W的五轴后处理程序。这两种后处理程序方案即可满足工程需求，修改适合KR214(或K211)数控机床的后处理程序。

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