数控四轴铣削加工增效技术研究

吴嘉炎

（茂名市高级技工学校，茂名 525000）

随着我国工业的快速发展，数控机床作为一种机电一体化产品，得到了越来越广泛的应用，多轴数控加工技术也取得了迅猛的发展。数控机床是通过控制不同的运动轴、联动轴来实现不同形状零件加工的设备。四轴控制的数控机床是在三轴联动的基础上，增加了旋转轴控制要素，能够实现更复杂、多样化的产品生产。但是，当前数控四轴铣削加工技术仍不够完善，不能满足生产实际的多种需求，需要对其进行优化增效。

1 传统数控四轴加工的切削方式

1.1 正向、反向型腔铣切的加工刀轨

箱体数控四轴结构显著扩大了数控四轴床的加工范围，如图1所示。

图1 箱体数控四轴结构

如图2所示，常轴类的曲面零件。是由圆柱面上集成的若干特征组合而成，隶属于典型的数控四轴基床的加工对象，通常情况下毛坯都采用棒料。在加工过程中，首先需要对棒料进行粗加工，将棒料的大部分余量去除，但是UG中不包含专门进行多轴粗加工的相关编程模块，因此通常情况下采用三轴加工中的VAVITYMILL方式（腔型铣）方式进行编程。

图2为长轴类型的曲面零件正向型腔、反向型腔铣削的刀轨示意图。由图2可以发现，该刀轨存在进退刀的动作过多、刀轨不连续的特点，整个正反向刀轨呈碎片化趋势。

1.2 采用可变轮廓的铣曲面驱动刀轨

为了有效解决型腔铣切削多层数问题，UG软件提供VARIABLE_CONTOUR模式，即可变轮廓铣切削模式，通过曲面驱动的方式，分层将余量去除，良好解决了型腔铣切削多层数的问题，如图3所示。

在UG软件中，可变轮廓铣曲面驱动模式是最为强大的多轴切削方式。对于相对简单的曲面，可变轮廓铣曲面驱动的刀轨较为规则，一旦处于曲面十分复杂的情况，刀轨中所包含的进退动作就会极多，造成整个刀路呈现严重碎片化，同时曲面与地面交接处会残余体积很大的毛坯，形状也呈现不规则形态，会为后续的精加工带来工序无法顺利完成的隐患，如图4所示。此外，大幅度增加的无效非切削距离，将无法保证加工的质量和效率。

图2 正向型腔铣切削的刀轨

图3 可变轮廓铣切削的刀轨

在CAM多轴模块中，新版本UG10中提供了MILL_ROTARY模式，即旋转地面切削模式，可将其应用于对螺旋零件的底面加工中，如图5所示。

图4 可变轮廓铣切削加工后残余毛坯

图5 螺旋零件底面的 切削刀轨

这种切削模式的优点在于刀轨形状十分规则、进刀/退刀动作少，缺点在于只能在加工中使用求导，同时无法实现分层切削。因此，在实际生产过程中，它无法有效解决数控四轴粗加工问题。

2 四轴铣削的增效技术

2.1 刀轨的构建

数控四轴旋转的刀轨，其集成了CAM模块和CAD模块的优点。四轴旋转刀轨的构建分为以下步骤：曲线提取、将曲线展开、NC编程、曲线转换、缠绕曲线、NC编程，其具体的构建步骤如图6所示。

2.2 四轴旋转刀轨构建的算法思路

在对四轴旋转刀轨进行构建之前，首先要构建驱动曲线，即构建必要的辅助曲线，具体的算法思路可分为5部分：曲线打断部位（焦点）；辅助平面；边界特征、轮廓线；边界曲线（展开后）；轮廓曲线（展开后）。

（1）曲面边界特征、轮廓线的提取。为了得到CAM编程要求的平面曲线，第一步是构建过轴线，同时要求过轴线垂直于切削平面中的辅助平面；第二步将边界特征轮廓线，在曲面边界与辅助平面部分特征轮廓线制造出的交点处打断，进而将切削平面展开为平面曲线。

（2）利用PLANAR_MILL方式，以平面曲线作为边界生成平面刀轨，针对粗加工刀轨时，应留有一定余量，若进行精加工刀轨，则余量为0。

（3）将平面刀轨的数据，通过后处理程序转换为DAT数据文件进行输出，即输出点位坐标，每一行的三个数字分别表示刀位的X、Y、Z的坐标。

（4）在UG-CAD中导入DAT数据，从而迅速形成多段、连续的一阶平面样条曲线。

（5）将生成后的样条曲线在目标曲面上进行缠绕，从而获得空间样条曲线，如图7所示。

在VARIABLE_CONTOURT模式，即可变轮廓铣切削中，选择去曲线/点的驱动模式，将驱动曲线作为缠绕线，刀轴方向设置为“远离直线”，选择旋转轴线为“直线”。图8为切削刀轨，可明显看出，每一层只存在一次进退刀的动作。

图7 将平面样条曲线在目标上缠绕

图8 四轴旋转分层刀轨

通过程序所生成的刀轨具备连续、广顺的特点，有效提高了加工的效率和质量。

3 验证和结论

对图1中曲面具备复杂特征的长零件，利用四轴加工中心进行加工，并分别采用不同类型的CAM编程模式，验证实际加工效果，具体数据如表1所示。

表1 NC程序受编程模式影响数据

通过表1数据可知，四轴旋转刀轨几乎不存在切削盲区，非切削距离最少。型腔铣刀轨切削盲区严重，非切削距离最多，进而导致非切削距离/有效切削距离小于1，切削效率大幅度降低，而曲面驱动刀轨，即可变轮廓铣刀轨介于型腔铣刀轨和四轴旋转刀轨二者之间。由此可得出结论，数控四轴旋转刀轨具有明显的优势，在进行加工期间应优先选用。

4 结语

数控机床可以对样式复杂、精密的多品种零件实现加工，是一种效率较高的自动化加工机床。在数控机床中，传统的四轴数控铣切削加工方式十分复杂，存在一定缺陷，会对设备的实际使用效能造成一定影响。因此，本文提出四轴铣切削加工的增效技术。经过实践加工的验证，四轴旋转刀轨技术综合性能优于其他加工形式，应大力在四轴铣削加工中进行应用和推广。

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