S形检测试件五轴联动数控加工方法研究

杜 丽 张 信，2 赵爽宇 李俊杰

1.电子科技大学，成都，611731

2.中国电子科技集团公司第三十研究所，成都，610041

0 引言

五轴联动数控加工技术由于其加工灵活、材料去除率高、少装夹等优势，被广泛应用于叶轮叶片及螺旋桨等复杂曲面的加工中。相对于三轴机床，五轴联动数控机床的刀具有任意可达性，在复杂曲面加工时，具有更高的加工效率与加工质量。但是，受旋转轴运动的影响，五轴机床各轴在插补运动时会产生非线性误差，为保证加工精度，编程难度大［1］。此外，旋转轴的引入会引起刀轴矢量的突变，在高速加工时会造成刀具破损甚至是工件报废［2－3］。因此，五轴联动加工一直是机械加工行业的难点。

S形检测试件多用于综合评价五轴机床多轴联动精度、伺服系统动态响应性能及机床动态刚度等性能［4］。目前，国内外涉及S形件的文献较少。谢东等［5］指出，多轴数控机床转动轴进给系统动态响应精度是影响S形件加工精度的主要因素；丁杰雄等［6］研究了S形件型面误差处理、分析和显示技术；崔浪浪［7］分析了进给伺服系统参数对S形件轮廓误差的影响；杜丽等［8］提出了基于S形件的数控机床动态精度影响因素辨识方法。整体而言，研究的范围主要集中在S形件误差分析上，对S形件的加工方法及工艺研究，目前尚未检索到国内外的相关文献。因此，本文详细介绍S形检测试件的定义、建模步骤及多种加工方法，并对比研究各种编程方法产生的理论误差，为机床制造商及用户提供技术参考。

1 S形件模型

S形检测试件在五轴联动数控机床精度检测上应用前景广阔。机床制造商在机床装配验收前、机床用户在购买机床时都有S形件的试加工应用。在大型贵重零件加工前，通过先加工S形件可以有效暴露机床缺陷，避免报废零件的产生。作为检验多轴联动机床整机综合性能的有效试件，S形件得到了行业的认可。

1.1 模型尺寸

S形检测试件由一个S形的等厚缘条和一个矩形基座组合而成。其中，矩形基座上有4个用于装夹的阶梯孔，2个用于安装定位及测量基准的定位孔，基本尺寸如图1所示。设矩形基座的上表面为Z＝0mm平面，以矩形基准左边的定位孔φ16H9为中心建立基准坐标系。矩形基座高30mm，4个阶梯孔位于四角。S形等厚缘条位于矩形基座上，厚3mm，与矩形基座不垂直。

图1 S形试件尺寸

1.2 建模步骤

S形试件建模较为复杂，其具体步骤大致如下：首先进入三维建模环境，输入2组共计100个数据点（50个点位于Z＝0mm平面，50个点位于Z＝40mm平面）。通过2个平面的点集分别创建上下2条三阶样条曲线，如图1所示。以上下2条三阶样条曲线为导线，采用直线扫略指令，构造直纹面。将直纹面朝X轴正方向增厚3mm，即可得到S形等厚缘条。最后，新建并拉伸草图创建矩形基座，用布尔求差指令创建用于装夹的阶梯孔和用于测量的基准定位孔。依据以上建模步骤，可得S形检测试件的三维CAD模型。

2 S形件数控编程

由S形件三维模型可知，缘条与基座不垂直，为非直壁零件，因此采用传统的三轴编程方法无法加工。本节将制定S形件加工工艺卡片，基于UG NX的CAM加工环境，采用多轴铣削编程加工方法，生成S形件加工刀路轨迹前置指令。并构造AB双摆头型五轴后置处理器，导入前置指令进行后处理得到S形件数控加工后置G代码。

2.1 加工工艺分析

材料成分是被加工零件的基本特性，决定了零件加工方法及切削参数的选择。S形件所用材料为铝合金7175－T7451。S形件结构如图1所示，其中缘条厚3mm，属于薄壁件。此外，缘条与矩形基座不垂直，属于非直壁类零件。

依据S形件材料及结构特性制定数控加工工序卡片。S形件的加工大致可分成4大工序：毛坯粗加工（铣基准面、制压紧孔）；S缘条粗加工；S缘条精加工；基准孔加工。S形件加工基本流程如图2所示。

图2 S形件加工基本流程

2.2 刀路轨迹规划

本文针对S形件的加工流程，制定了S形件数控加工工序卡片，如表1所示。

表1 S形件数控加工工序卡

根据UG CAM编程流程，首先打开S形检测试件三维模型，进入UG加工编程环境。根据S形件加工工序卡，开始毛坯的加载和设置。

工序1和工序2用来加工沉头孔。在“加工环境”对话框中选择drill，进入钻削加工环境。创建3把刀具：刀具T1——中心钻（SPOTDRILLING＿TOOL），直径20mm，长65mm，主要用于打定 位 孔；刀 具 T2——钻 刀 （DRILLING＿TOOL），直径20mm，长65mm，主要用于钻φ20的通孔；刀具T3——锪刀（COUNTERBORING＿TOOL），直径32mm，长50mm，主要用于加工φ32的沉头孔。然后创建工序，即先钻中心孔，再钻通孔，最后锪沉头孔，完成加工。

工序3是创建型腔铣程序，具体为：新建1把直径32mm、圆角半径3mm的立铣刀；创建部件、毛坯、检查等几何体；设置刀轨，选择切削模式为“跟随周边”；设置切削参数，底面余量为0.5mm，侧壁余量为2mm；设置进给率和速度；设置加工方法，点击生成刀轨控件。

工序4为S型面精加工工序。缘条质量是加工的重点，本文提出多种编程加工方法对S形缘条进行精加工。

（1）方法1：多轴顺序铣。点击“创建工序”，选择多轴铣子操作顺序铣，进入顺序铣编程环境；创建直径20mm立铣刀；设置加工安全平面；在“进刀运动”对话框中设置进刀方法、参考点、几何体；在“连续刀轨运动”中设置检查曲面、驱动曲面、部件表面；完成退刀。加工刀具路径轨迹如图3a所示。

（2）方法2：多轴外形轮廓铣。选择多轴铣子操作外形轮廓铣，进入编程环境；几何体、刀具等设置同方法1；选择矩形基座上表面为底面，缘条曲面为壁；驱动方法为“外形轮廓铣”；刀轴设置为自动；加工方法选择精加工。加工刀具路径轨迹如图3b所示。

（3）方法3：多轴分层外形轮廓铣。在方法2的基础上，通过设置8个辅助底面，对缘条进行分层加工，其他设置同方法2。加工刀具路径轨迹如图3c所示。

（4）方法4：多轴分层可变轮廓铣。选择多轴铣子操作可变轮廓铣；选择S形件缘条表面为驱动曲面，切削模式为“单相”，步距数为6；投影矢量选择“朝向驱动体”，刀轴选择“侧刃驱动体”；几何体及刀具等其他设置同方法1。加工刀具路径轨迹如图3d所示。

图3 精加工多轴铣刀路轨迹

工序5和工序6用来精加工测量基准平面和基准孔，为S形件轮廓误差的测量做准备。点击“创建工序”，选择钻孔加工子操作标准钻孔，进入孔加工环境；创建直径16mm钻刀；选择待加工基准孔；设置最小安全距离80mm；循环类型为“标准钻”，即可实现该道工序。

2.3 五轴后处理

刀位轨迹文件又称通用前置指令，数控系统无法识别，不能直接传输到数控机床进行加工。机床的物理结构和机床内部的数控系统，都会因机床不同而不同。因此，必须将通用前置处理计算所得到的刀位轨迹文件数据转换成某一特定机床能识别的程序代码，这一过程称为后置处理。

为构造专用后置处理器，将UG/Post Builer作为开发工具。通过选择机床类型，设置机床各运动轴行程等参数，构建后处理器。将刀路文件导入后处理器，得到S形试件后置指令。

3 虚拟加工仿真

虚拟制造技术是指在计算机虚拟环境下，模拟产品和制造设备的现实运动环境，在实时和经验数据的支撑下，进行产品生产完整生命周期的一体化模拟仿真过程［9］。

VERICUT是一款专用数控加工仿真软件，其采用先进的三维显示和虚拟制造技术，既能模拟虚拟机床的运动过程及工厂环境，又能检查NC后置处理程序的准确性。将2.3节生成的后置指令导入VERICUT环境中进行加工仿真，验证后置G代码的准确性并对比分析数控加工理论误差。

3.1 仿真平台搭建

根据实际机床各轴间的相互运动关系及相关参数，在VERICUT环境中建立机床模型拓扑结构。在UG中构建机床CAD三维模型，以X/Y/Z/A/B轴、床身、主轴等组件为单位逐个导出模型组块，根据拓扑结构关系再导入VERICUT环境中，调整各组件位置参数，装配成AB双摆头五轴联动数控机床模型，如图4所示。机床建成后，还需初始化设置，如机床干涉检查、机床初始化位置、机床行程等。最后加载机床控制系统，本文选用西门子840D数控系统。

3.2 NC后置程序验证

要实现动态加工仿真，首先在“项目树”对话框中，选择节点“坐标系统”，添加新的坐标系；然后是添加毛坯模型，单击“Stock（0，0，0）”，新建毛坯400mm×200mm×70mm矩形块；单击“Design（0，0，0）”，添加S形试件三维模型；选择“加工刀具”，右键进入“刀具管理器”对话框，选择“添加”→“刀具”→“新”→“铣削”命令，新建表1所示的6把刀具；选择单击“数控程序”，加载2.3节S形件NC后置程序；在“项目上树”对话框中选择“工位：1”，单击“G－代码”选项卡按钮，进入“径向刀具补偿”列表框设置刀具半径补偿；最后单击“G－代码偏置”，定义加工坐标系。

图4 虚拟机床模型

在完成以上所有设置后，保存该项目。单击VERICUT系统主窗口右下角“启动加工仿真”按钮，开始数控加工动态仿真，虚拟机床将依次实时显示表1中6道工序的虚拟加工过程，S形件缘条精加工过程中某一时刻的截屏如图5所示。

图5 动态加工仿真截屏

3.3 加工理论误差对比分析

由3.2节加工仿真结果可知，S形件无欠切和过切现象。此外，整个加工仿真过程中，机床刀具与工件、夹具均无碰撞、干涉情况的发生，因此，验证了S形件编程方法、五轴后置处理以及所搭建仿真平台的准确性。

本节将基于上述仿真平台，对比分析2.2节中4种编程方法下S形件的加工理论误差。依次将4种编程方法下的S形件后置指令导入到3.1节仿真平台。仿真加工结束后，利用软件自带的曲面加工误差测量模块，对4种编程方法下的S形件型面加工误差进行测量，测量的公差为0.05mm。

4种编程方法下的S形件型面加工误差结果如图6所示，图中矩形框内为误差值＋0.05mm的欠切区域，圆形框内为误差值－0.05mm过切区域。对比可知，图6a中，S形件型面内的矩形框、圆形框数量最多、面积最大即误差最大，证明了4种精加工编程方法中，顺序铣的编程加工理论误差最大，存在多处欠切和过切区域；图6c采用分层外形轮廓铣，加工质量最好，基本无加工理论误差；图6c、图6d的矩形框和圆形框区域远小于图6a、图6b，证明了分层加工方法的加工精度明显优于单层加工。

图6 编程误差显示

4 切削试验

3.3节对比分析了4种编程方法下S形件的加工精度，证明了采用分层外形轮廓铣的编程加工方法的S形件加工精度较高。因此，本节将采用该编程方法下的S形件后置数控程序导入五轴数控机床的数控系统进行实物加工。机床为中捷AB双摆头五轴联动数控机床。毛胚材料为航空铝合金7075－T7451。加工所得S形检测试件如图7所示，其缘条型面光滑，表面质量较好，无明显接刀痕及过切、欠切现象，验证了该编程方法的准确性。

图7 S形件

加工完成后，在S形件缘条10mm、22.5 mm、30mm高度方向分别取3条截取线，每条线上等距离选取25个测量点，利用三坐标测量机测得3条线上共75个点的空间坐标。对比理论模型空间坐标，计算出S形件在75个测量点处的加工法向误差，如图8所示。

采用型面误差可视化技术，将75个测量点处的法向误差直接刻画在S形件型面上，如图9所示。以不同灰度区分误差的正负、大小，越亮表示正误差越大，反之负误差越大。由图9可知，S形件加工的法向误差基本控制在50μm以内，满足加工精度要求。

图8 S形件型面加工误差

图9 S形件加工误差灰度显示

5 结语

基于机床制造商及用户的需求，本文详细介绍了S形检测试件的提出背景、模型尺寸及建模步骤。针对S形件展开加工工艺规划，制定工艺卡片。在UG NX加工环境下数控编程得到S形件刀路轨迹文件，并构造五轴联动数控机床后置处理器，进而获得了S形件数控程序G代码。基于VERICUT软件，搭建了数控程序虚拟加工仿真通用平台，实现了S形件的虚拟加工。提出并对比分析了多种编程方法下S形件的加工理论误差。最后在某立式五轴加工中心上进行了S形件切削加工试验，验证了该编程方法、数控程序及虚拟加工平台的准确性。

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