第一章 第1章 多轴数控加工技术基础

      在PowerMILL2012软件中，用于计算多轴加工刀具路径的编程策略数量众多，总计达30多种。另一方面，对于某一特征的加工，往往可以选用多种刀具路径策略来计算加工刀路。例如，加工一个倾斜的小平面，可以使用平头铣刀配合偏置平坦面、平行平坦面、平行精加工、螺旋精加工、放射精加工等策略来计算五轴定位加工刀具路径。那么，是否可以任意选择使用刀具路径策略呢？这里就存在一个编程策略最优化的问题，即当面对一个特定的加工特征时，编程员该选用哪一种刀具路径策略才能计算得到最优质的刀具路径。

1.8.1多轴数控加工刀具路径质量

１ CAM软件对数学模型的要求
      刀具路径依据待加工对象的数学模型生成，如果数学模型有问题，例如存在交叉面、破烂面等，那么系统就有可能计算出错误的刀具路径，或者是要花相当长时间才能计算出刀具路径来，有时甚至计算不出刀具路径。
      高质量的数学模型是实施数控编程的前提和必要条件。在进行数控编程前，要确保数学模型达到如下要求。
      （１）产品数学模型必须是一个完善的、统一的数学模型，不能有遗漏的曲面或多余的曲面存在。如果曲面存在破孔（洞），应该先用CAD软件将这些有问题的曲面修补完整。
      （２）产品数学模型不能有数据错误和曲面形状错误存在。
      （３）产品数学模型必须满足严密的几何拓扑关系，不允许出现曲面重叠、未修剪曲面、曲面间缝隙过大、曲面间不满足切矢连续或曲率连续等几何拓扑错误。
      （４）产品数学模型应是光滑连续的顺畅模型，在两个曲面的交线处，应当采用适当的圆角进行过渡处理，确保数学模型的连续光滑性。
      （５）数学模型中的曲面要求等参数曲线分布合理、均匀，曲面不能有异常的凸起和凹坑。

２ 高质量和高效率多轴加工刀具路径的衡量标准
      对于同一个加工特征，往往可以用多种加工策略来计算刀具路径，那么哪一种加工策略对该加工特征计算的刀具路径是质量最优、加工效率最高的呢？一般可以从以下几个方面来衡量所生成的多轴加工刀具路径质量和效率的优劣。
      （１）刀具路径应无碰撞现象。CAM软件生成的刀具路径，应该绝对避免机床主轴、铣头或刀具碰撞到工件，从而致使操作人员、机床受损伤或工件被破坏。由于多轴加工过程中，刀具相对于工件可以摆动，更要特别注意检查主轴箱、夹具等零部件间发生碰撞的可能。
      （２）刀具路径应无过切现象。所谓“过切”，是指刀具切入理想模型轮廓表面，造成零件上应有的特征被错误地铣削掉。多轴加工刀具路径应该准确无误，无过切、扎刀等带有加工危险的问题刀具路径段，特别是使用平头铣刀进行多轴加工时，要注意检查刀尖发生过切的可能。
      （３）刀具路径分布应均匀。多轴加工刀具路径各段应该分布均匀、整齐，各刀具路径段之间的行距要均匀，不能在零件平坦面处行距均匀而在零件陡峭部分行距变得稀疏，这样加工出来的零件其尺寸和表面都会达不到要求，同时也会增加钳工修整的困难程度。
　　如图1-33所示，是用平行精加工策略生成的刀具路径，在零件的平坦区域，刀具路径行距均匀，但在陡峭部位刀具路径行距明显增大，图1-34所示是仿真加工的效果，可见在陡峭部位残留了大量余量。图1-35是用最佳等高精加工策略生成的刀具路径，各部位的刀具路径行距较均匀，图1-36所示是仿真加工的效果，可见夹角处余量均匀、表面光顺。

      （４）多轴加工刀具路径应尽量保证刀具在加工过程中吃刀深度和吃刀宽度均匀、一致，避免刀具在零件陡峭部件吃刀深度突然增加，避免刀具在零件的狭窄长槽部分吃刀宽度突然增加。要尽量确保刀具在加工过程中受力均匀，工件和刀具变形小，以确保零件的加工精度。
　　如图1-37所示刀具路径，在接近零件外轮廓处刀具处于全刃切削状况，其负载突然增加，是要尽量避免的，而如图1-38所示刀具路径，在接近零件外轮廓处刀具以摆线加工的方式进行切削，刀具的切削量均匀，其负载也就变得均匀了。

 

      （５）提刀次数少、刀具的空行程少。生成的刀具路径应避免空走刀轨迹的产生，尽量减少抬刀、进退刀的次数，以提高加工效率。
      （６）刀具轴指向过渡平滑，没有突变。在多轴加工过程中，如果刀具轴（或转台）指向角度突变，会给机床带来较大的冲击和振动，对机床和刀具造成损害，给工件表面留下细小的台阶。高质量的多轴加工刀具路径要求刀具轴指向过渡平滑，尽量不发生突变。如图1-39所示刀路是刀具轴指向有突变的情况，图1-40所示刀路是刀具轴指向平滑过渡的情况。

        

1.8.2  高速多轴加工机床对刀具路径的要求  

      多轴数控加工机床往往属于高速加工机床，具有较高的进给速度和主轴转速。在数控编程方面，具备以下特征的刀具路径才能满足高速加工的要求。
      ① 保持恒定的刀具切削负载，即刀具路径的铣削用量是没有突变的、均匀的。
      ② 保持恒定的切深和切宽。
      ③保持机床许可的加工速度和加速度。
      ④控制切削方向。
      ⑤避免尖角转向。
      ⑥保证最小的空程时间。
      ⑦保证最小的切削时间。

1.8.3多轴数控加工工艺规划概述
 

      拿到一个加工对象之后，数控编程如何进行？要安排哪些加工步骤？这就是数控加工工艺问题。
1 加工工序的划分
       加工工序一般可以按以下三种方法进行划分。
     （1）粗、精加工分序法：根据零件的形状、尺寸精度等因素，按粗、精加工分开的原则，先粗加工、半精加工，再精加工，最后清角（或者是先安排精加工刀路，后安排清角刀路）。
     （2）刀具集中分序法：这种方法就是按所用刀具来划分工序，用同一把刀具加工完成所有可以加工的部位，然后再换刀。这种方法可以减少换刀次数，缩短辅助时间，减少不必要的定位误差。
     （3）加工部位分序法：即先面后孔——先加工平面、定位面，再加工孔；先简单后复杂——先加工形状简单的几何形状，再加工复杂的几何形状；先加工精度比较低的部位，再加工精度比较高的部位。

２安排多轴数控加工工步应注意的问题
　　普通铣削加工工序安排注意点在数控铣削加工时仍然是有效的，除此之外，还要特别考虑以下几个方面。
      ①上一道工序的加工不能影响下一道工序的定位与夹紧，中间穿插有通用机床加工工序的也要综合考虑。
      ②一般先进行内型腔加工工序，后进行外形加工工序。
      ③以相同定位、夹紧方式或同一把刀具加工的工序，最好连续进行，以减少重复定位次数与换刀次数。
      ④在同一次安装中进行的多道工序，应先安排对工件刚性破坏较小的工序。
      ⑤优先使用固定轴加工方式。零件的粗加工工步，应尽可能使用二轴半或三轴加工方式来完成，当一个加工特征既可以固定轴加工方式又可以使用联动轴加工方式时，尽可能使用固定轴加工方式。这主要是考虑到机床的联动轴数越多，其刚性会减弱。

1.8.4典型零件多轴加工工艺
 

1  按五轴加工工艺分类的汽车覆盖件模具零件特征
      一般地，构成模具零件的几何特征可以分为结构平面特征和成型曲面特征两大类。结构平面特征包括大水平面、深长铅垂平面、导套孔等结构，它们主要是二维特征，使用二轴半加工方式即可完成加工。结构面特征还包括一些倾斜结构平面，通过CAM软件编制3+2轴程序使用机床的侧铣头来完成加工会带来较高的加工效率和质量。
      模具零件中的成型曲面特征则包括各工步模具的有效成型曲面部分、辅助成型曲面部分以及拉延筋结构部分等。这些特征基本上属于三维自由曲面的范畴，根据其空间形态位置，可将这些成型曲面归纳为三类。
      （1）  较为单一的大面积浅滩区域型面。汽车覆盖件中的顶棚、引擎盖外板、左右车门外板等可以归纳到这一类中。
      （2）  较为单一的陡峭区域为主的成型曲面。如汽车行李箱盖外板零件。
      （3）  由浅滩曲面和陡峭曲面组成的成型曲面。汽车翼子板以及大部分覆盖件内板可以归纳到这一类中。
      这样，基于五轴加工工艺分类的汽车覆盖件模具零件特征如图1-41所示。

2  汽车覆盖件模具五轴加工编程工艺方法
      根据模具零件尺寸的大小，这些特征有的使用三轴加工、3+2轴加工已经能满足要求，而对于部分大型模具零件，使用五轴联动加工策略通过避免切削静点、使用短刀具这些方式能有效地提高表面质量。
如表1-7所示，是模具零件应用五轴联动加工分类表。

表1-7　模具零件特征的五轴加工

序号	加工特征	零件举例	三轴加工状况	五轴加工状况	应用五轴功能后的改进	刀轴矢量
1	单一的大面积的浅滩区域表面	顶棚、引擎盖板、门外板等			①.避免静点切削； ②.使用更短的刀具加工	倾斜15°
2	单一的陡峭区域为主的成型曲面	行李箱盖板等			①.避免碰撞发生； ②. 使用更短的刀具加工	朝向点
3	由浅滩曲面和陡峭曲面组成的成型曲面	翼子板等			①.使用更短的刀具连续加工浅滩和陡峭曲面； ②.保证两种曲面质量的一致性	插补矢量

 
3  常用外覆盖件模具高速五轴加工工艺及加工规范
      五轴加工的基础是三轴加工，高速加工的应用基础同样是常规的三轴加工方式。因此，对于外覆盖件模具的加工，在归纳和建立其高速五轴加工工艺及规范时，通常可以在原有三轴加工工艺及规范的基础上来做改进和完善。
      顶棚下凸模零件成型曲面属于大面积的浅滩区域表面一类，对该类结构的加工，应用五轴加工功能后的加工工艺如表1-8所示。
表1-8　顶棚下凸模加工工艺

工步	刀具路径策略	刀具	主轴转速	切削速度	加工余量	行距	刀轴	备注
---------淬火前---------
1	曲线驱动精加工	D40R20	1200	1500	18		三轴垂直	检测范围
2	曲线驱动精加工	D40R20	1200	1500	18		三轴垂直	检测余量
---------粗加工---------
3	等高环切粗加工	D80R8	600	3600	0.8		三轴垂直
---------半精加工---------
4	沿面单笔清根	D30R15	1500	1500	0.2		三轴垂直
5	固定轴曲面驱动精加工	D30R15	2200	3000	0.2	2	三轴垂直
6	沿面单笔清根	D20R10	1500	800	0.2		三轴垂直
7	沿面单笔清根	D16R8	3000	600	0.2		三轴垂直
8	沿面单笔清根	D12R6	2000	400	0.2		三轴垂直
---------淬火后---------
9	曲线驱动精加工	D30R15	4600	50	0.2		三轴垂直	侧型面
---------局部半精加工---------
10	等高精加工	D30R15	5500	5300	0.05	0.64	三轴垂直
11	最佳化等高精加工	D30R15	5500	5300	0.05	1	三轴垂直
---------精加工---------
12	沿面单笔清根	D30R15	1500	1000	0.03		三轴垂直
13	等高精加工	D30R15	5500	5300	0	0.4	三轴垂直
14	可变轴曲面驱动精加工	D30R15	5500	5300	0	0.4	五轴，前倾15°
15	沿面多笔清根	D16R8	3000	2500	0		三轴垂直
16	沿面多笔清根	D10R5	3800	2000	0		三轴垂直
17	沿面多笔清根	D6R3	4500	1200	0		三轴垂直