“多轴铣加工编程”课程教学探讨与实践

匡和碧

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

“多轴铣加工编程”课程教学探讨与实践

匡和碧

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

介绍了多轴机床的概念、类型和结构，总结了多轴加工特点及应用领域，设计了“多轴铣加工编程”课程教学情境，给出基于UGNX的多轴铣加工编程方法，使用VERICUT软件进行了切削仿真验证，最后给出了真机实切结果．

多轴铣加工编程；教学情境设计；UGNX；VERICUT

1 多轴机床概念、类型、结构及加工特点

1.1 多轴机床概念、类型、结构

我们熟悉的数控机床有XYZ 3个直线坐标轴，绕其旋转的轴分别称之为A轴、B轴、C轴，多轴是指在一台机床上至少具备第4轴.

目前生产实际中应用最为广泛的多轴机床可分为2大类，一类是五轴机床、一类是四轴机床.五轴机床的结构可划分为3种，如图1所示.

1）双转台结构：刀轴方向不动，2个旋转轴均在工作台上；工件加工时随工作台旋转，须考虑装夹承重，能加工的工件尺寸比较小.

2）双摆头结构：工作台不动，2个旋转轴均在主轴上.机床能加工的工件尺寸比较大.

3）转台+摆头结构：2个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件；主轴摆动，改变刀轴方向灵活.

1.2 多轴加工的特点[1]

与三轴加工相比，多轴加工具有如下优势[2]：1）可有效避免刀具干涉，如图2（a）所示. 2）对于直纹面类零件，可采用侧铣方式一刀成型，如图2（b）所示.

3）对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面，可用大直径端铣刀端面贴近表面进行加工，如图2（c）所示.

图1 五轴机床典型结构

图2 多轴机床加工特点

4）可一次装夹对工件上的多个空间表面进行多面、多工序加工，如图2（d）所示.

5）五轴加工时，刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态.零件表面上的误差分布均匀，如图2（e）所示.

6）在某些加工场合，可采用较大尺寸的刀具避开干涉进行加工，如图2（f）所示.

2 多轴铣加工编程课程教学情境设计

多轴机床应用越来越广泛，汽车、飞机、发电设备、家具制造等行业均已普遍使用多轴机床[3].根据被加工零件的特征可将多轴机床的应用领域分为三大类：多面体加工、多轴定位加工、多轴轮廓加工.根据CIM（中国机床信息网）调查数据，多轴加工中5面体加工占市场份额22%，3+2轴定位加工占市场份额73%，5轴轮廓加工占市场份额5%.

根据CIM调查结果，结合我校多轴铣加工编程课程教学实践，我们设计了基于UGNX软件进行多轴铣加工编程的教学情境，如表1所示.

表1 多轴铣加工编程课程教学情境设计表

3 多轴与三轴铣加工编程的主要区别

1）多轴编程与三轴编程顺序不一样.三轴加工：建模→生成轨迹→生成代码→装夹零件→找正→建立工件坐标系→加工.

五轴加工：建模→生成轨迹→装夹零件→找正→建立工件坐标系→根据原点坐标生成代码→加工.

2）多轴铣编程须考虑刀轴的控制.三轴铣床加工编程不需要考虑刀轴的变化，刀轴方向始终指向+Z轴方向；而多轴铣加工时刀轴方向是变化的，编程时须考虑刀轴的控制方式，这是多轴铣加工编程与三轴铣加工编程的主要区别.

3）多轴铣编程须进行机台碰撞检查.多轴加工时，由于工作台或刀头的摆动和旋转，加工过程中容易发生主轴或刀具跟工件、夹具、工作台的碰撞，这种碰撞称机台碰撞.因此，多轴机床必须进行有机床主轴、刀具、工件的运动仿真检查，只有通过这样仿真无碰撞的程序，才可以放心在多轴机床上运行.

4 多轴铣加工编程实例

以情境四为例，对多轴编程过程说明如下：

1）零件结构及加工工艺.圆柱传动凸轮的轮廓尺寸为φ80×80，凸轮槽深20 mm，槽宽30 mm，槽壁与槽底面垂直.凸轮槽的加工应采用四轴联动加工，工序分为即凸轮槽开粗、凸轮槽底面精加工、凸轮槽左侧面精加工、凸轮槽右侧面精加工.由于槽宽仅为30 mm，因此采用φ20的平底刀对凸轮槽2个侧壁分别进行精加工时，也可获得凸轮槽底面的精加工.

传动凸轮材料为45钢，为便于装夹及加工，本次加工的毛坯选用铝棒尺寸为φ80mm×120mm，凸轮槽加工完成后再用车床切断成型.

2）机床结构及参数.本次加工采用的四轴机床结构见表1，除X、Y、Z3个线性轴之外，还配有绕X轴转台的转轴A.X、Z为主动轴，Y为X的依附轴，A为Y的依附轴，机床控制系统为HNC-21M华中世纪星.

X/Y/Z轴的运动范围：900/700/500 mm

A轴运动范围：0~360°.

3）刀路轨迹生成方法.本文使用UGNX8.5软件来生成刀路轨迹.由于凸轮槽粗、精加工刀路轨迹生成方法类似，限于篇幅，在此只简要介绍凸轮槽开粗的刀路轨迹生成方法.多轴加工时的刀路轨迹生成方法与三轴加工时的刀路轨迹生成方法的不同之处在于需要设定“投影矢量”和“刀轴”.本文中多轴加工的“投影矢量”可设定为“刀轴”，如图3所示.“刀轴”设定为“远离直线”, 如图4(a)所示；在弹出的在“远离直线”对话框中“指定矢量”设定为X轴，“指定点”可设定为加工坐标系原点，如图4(b)所示.

根据本例机床结构及参数在VERICUT软件中建立仿真机床的模型结构树如图5所示，在设定好“切削参数”、“非切削移动”、“进给率和速度”等参数后，生成的多轴加工刀路轨迹如图6所示.

4）毛坯装夹及对刀.将毛坯装夹在四轴机床的转台卡盘上，通过百分表找整，使得毛坯中心线与转台旋转中心线重合.装好刀具，并以毛坯外端面（远离转台端面）中心作为对刀点，将该点坐标作为机床G54输入值.

图3 投影矢量设定

图4 刀轴设定

图5 仿真机床模型结构树

5）利用VERICUT软件进行机台碰撞检查.多轴机床需根据机床结构、参数及对刀数据定制后处理程序，定制完成后可直接调用输出NC代码.

输出的NC代码需要经过VERICUT软件仿真验证，才可以放心在多轴机床上使用.本例在VERICUT软件中的仿真切削过程如图7所示，仿真切削过程中未发现任何碰撞.

图6 粗加工刀路轨迹

图7 机床运动部分仿真

图8 真机实切

6）真机实切.将检查过的NC程序送入真机进行切削，真机实切结果如图8所示.

5 教学结果

通过精选教学内容、合理设计教学情境，学生自己动手装夹找正工件、建立工件坐标系、对刀、编程、后处理输出NC代码、仿真碰撞检查、真机实切等过程，使学生理解了多轴铣加工的编程特点，掌握了多轴铣加工编程的方法.

[1] 周济，周艳红.数控加工技术[M].北京：国防工业出版社，2002.

[2] 肖善华，唐书林，袁永富，等.MasterCAM五轴后置处理关键技术研究[J].机床与液压，2012，40（16）：67-71.

[3] Jisensen. Power mill 高速多轴加工技术[C]//Delcam 2008年年会论文集，2008：108.

Research and Practice on Teaching of “Multi-axis Milling Programming”

KUANG Hebi

（College of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

This paper not only describes the concept of multi-axis machine, type and structure, but also sums up the multi-axis machining features and applications. It introduces the teaching situation design for "Multi-axis Milling Programming". The programming method based on multi-axis milling UGNX and cutting is simulated using VERICUT software. Finally, the cutting result of the real machine is also given.

Multi-axis Machining Programming; teaching situation design; UGNX; VERICUT

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.01.008

TG659；G642

A

1672-0318（2016）01-0036-04

2015-10-10

匡和碧（1965-），湖南耒阳人，数控铣高级技师，副教授.主要从事模具设计及数控加工教学及科研工作.