五轴数控联动加工技术分析

许坚生

广州市工贸技师学院 广东广州 510425

[摘要] 随着现代科学技术的不断发展和进步，多轴数控加工技术也在不断发展和进步，在实际的加工中，多轴数控加工技术在很多领域都得到了广泛的应用。但是，随着现代科学技术的不断发展，很多传统的五轴数控加工技术已经逐渐无法满足现代的加工需求，因此，五轴数控联动加工技术应运而生。五轴数控联动加工技术是一种多轴数控加工技术，它包括了多个关键零部件和系统，这些零部件和系统在相互配合下共同完成了产品的加工和生产任务。通过使用五轴数控联动加工技术可以有效的提高产品质量，同时也能够有效的提高生产效率。下面笔者就对五轴联动加工技术进行分析。

[关键词] 多轴数控加工 五轴数控联动 加工 效率

2021年度举行的粤港澳大湾区高端精密制造（五轴数控联动加工技术）职业技能竞赛，为深入学习贯彻习近平总书记对技能人才工作的重要指示精神，认真落实省委省政府决策部署，大力推动“广东技工”工程高质量发展，充分发挥职业技能竞赛对技能人才培养引领示范作用，培养更多高素质高技能人才和大国工匠，为推动我省高质量发展提供有力人才保障。坚持让广东技工与广东制造共同成长。打造综合性、示范性、引领性的职业技能竞赛品牌,凸显竞赛带动效应，建设高素质的“广东技工”人才队伍，发挥高技能人才在推动我省经济高质量发展的重要作用所举行的一次职业技能竞赛。下面我将以本次比赛的题目，选择用hypermill软件，从以下几个方面对五轴加工工艺、编程技术、编程技巧进行禅述。

一、样题分析

2021年度粤港澳大湾区高端精密制造（五轴数控联动加工技术）职业技能竞赛样题装配如图1所示。该试题由1弯管轮壳体、2涡轮、3深沟球轴承、4底座、5内六角螺栓共5部分组成。其中涡轮为选手自带件，深沟球轴承、内六角螺栓为标准件。本次加工分析只分析弯管轮壳体与底座的加工内容。本样题五轴加工内容包括：①五轴定向加工;②5X单曲线侧刃加工；③5X形状偏置加工；④5X轮廓加工；⑤5X等高加工等典型加工要素。在综合考虑机床操作方法和加工效率后，制定了此样题的加工工艺方案。

（1）数控机床五轴加工设置（刀具设置、对刀、坐标设置等）。

（2）底座 底座底面加工：端面加工→粗加工外形、槽、Ø22圆、Ø12孔→精铣控制底面82尺寸→平面加工控制槽深→3D模型的轮廓加工控制圆Ø22的尺寸→利用5X单曲线侧刃加工槽侧壁→用基于3D模型的轮廓加工4XØ9.5的孔→倒角加工→钻孔4XØ5.2深16。

（3）底座 底座翻面加工：端面加工控制总高→粗铣底座上表面→铣孔Ø15、Ø12→粗铣底座上表面内槽→平面加工Ø90表面，控制高度15mm→平面加工内槽控制深度5mm→精铣上表面矩形55、内槽、孔Ø15、Ø12→5X单曲线侧刃加工倾斜面→倒角加工

（4）弯管轮壳体 弯管轮壳体底面加工：端面加工→粗加工内矩形与孔Ø55→弯管轮壳体底面外形轮廓粗加工→内孔Ø15、Ø12粗加工→侧面加工→平面加工控制内矩形与孔Ø55深度→基于3D模型的轮廓加工控制内矩形与孔Ø55尺寸→基于3D模型的轮廓加工控制孔Ø20、Ø15尺寸→控制外形尺寸→加工8条槽→弯管轮壳体底面键槽加工→弯管轮壳体底面4XØ6圆柱加工→倒角加工→钻弯管轮壳体底面4XM5螺纹孔并攻丝→钻弯管轮壳体倾面4XØ4.2小孔

（5）弯管轮壳体 弯管轮壳体正面加工：弯管轮壳体与底座用M5内六角螺栓固定好→装夹底座→端面加工控制总高→粗铣外轮廓→5X形状偏置粗加工小叶片→粗铣弯管→控制小叶片长度→小叶片宽度控制→5X形状偏置精加工弯管轮壳体外侧面→小叶片底倒圆加工→弯管轮壳体弯管部分加工→倒角加工

二、零件编程

弯管轮壳体与底座在本次五轴竞赛加工中，尺寸控制是其中的重要内容，也是本次五轴竞赛加工的一个重要考点。弯管轮壳体叶片与内弯管是本次五轴竞赛加工的一个重点与难点。在竞赛加工过程当中，需注意刀具与零件发生干涉碰撞在竞赛过程当中，零件的加工与程序的编制往往是相互交替、穿插进行的，因此，编程人员需要将加工计划做好，按照计划进行编程与加工，选择一种合理的加工方法，对零件的加工路径进行优化，减少空刀及抬刀的次数，这样才可以在规定的时间内，高质量地完成对工件的加工。（底座零件图见图2）

图2 底座零件图

（一）、底座编程

底座零件的刀路设置和操作如下：

1、底座底部加工：装夹工件使工件伸出虎钳部分为22mm，设置加工工件座标系。端面加工，平整端面。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序型腔、切削模式顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-18，使后面装夹时好留出位置进行打表拖平。采用螺旋下刀进给方式加工外形，内槽，Ø15mm孔，留出精加工余量0.3mm。【基于3D模型的轮廓加工】选择底座外型轮廓、切削模式顺铣、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，对底座82尺寸进行精铣加工，控制外形尺寸82mm的尺寸公差在

0.02mm以内。【3D 平面加工】选择内槽平面，螺旋下刀进给方式加工、对内槽进行精铣并控制深度；【基于3D模型的轮廓加工】选择圆柱Ø22mm轮廓，切削模式顺铣加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，对圆柱Ø22mm进行外型轮廓加工，控制圆柱尺寸Ø22mm的尺寸公差在0.015mm以内。【5X单曲线侧刃加工】选择内槽侧壁，进给模式单向、倾斜策略ISO、进刀与退刀采用圆弧方式，对内槽侧壁进行精铣加工。【基于3D模型的轮廓加工】选择4个Ø9.5mm孔,切削模式顺铣、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距、优先螺旋，对孔进行加工。【基于 3D 模型的倒角加工】对底座下部分进行倒角加工，倒角模式选择模型倒角，刀具位置为自动顺铣，路径补偿为中心路径，进给模式单一路径。【啄钻】选择4个螺纹孔Ø5.2mm进行钻孔加工。钻孔模式为2D钻孔、轮廓选择点、排序策略最短距离，钻孔深度-17mm。至此完成底座底部的全部加工。

2、底座上部份加工：反面装夹工件，注意装夹位置需加垫片，防止夹伤工件，装夹部分为13mm,工件伸出虎钳部分14mm。用百分表拖平工件，设置加工工件座标系。端面加工，平整端面控制底座高度27mm,公差尺寸在0.025mm内。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序型腔、切削模式顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-12。采用螺旋下刀进给方式粗加工外形，留出精加工余量0.3mm。【基于3D模型的轮廓加工】选择Ø15与Ø12孔轮廓、刀具位置自动顺铣、加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，对底座Ø15孔进行粗铣加工，留出精加工余量0.3mm。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序型腔、切削模式顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-5。采用螺旋下刀进给方式粗内槽，留出精加工余量0.3mm。【基于3D模型的轮廓加工】选择2内圆弧槽轮廓、刀具位置自动顺铣、加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，对2内圆弧槽进行粗铣加工，留出精加工余量0.3mm。【3D 平面加工】选择内槽平面与外表面，螺旋下刀进给方式加工、对内槽进行精铣并控制高度15mm尺寸。【基于3D模型的轮廓加工】选择Ø15mm、Ø12mm孔，2内圆弧槽等内槽轮廓，切削模式顺铣加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，进行加工，控制各尺寸在公差范围内。【5X 单曲线侧刃加工】选择55mm矩形的4个倾斜面，进给模式单向、倾斜策略ISO、进刀与退刀采用圆弧方式，对55mm矩形的4个倾斜面进行精铣加工。【基于 3D 模型的倒角加工】对底座上部分进行倒角加工，倒角模式选择模型倒角，刀具位置为自动顺铣，路径补偿为中心路径，进给模式单一路径。至此完成底座的全部加工

（二）、弯管轮壳体编程（零件图见图3）

图3 弯管轮壳体零件图

弯管轮壳体零件的刀路设置和操作如下：

1、 弯管轮壳体下部分加工：装夹工件使工件伸出虎钳部分为30mm，设置加工工件座标系。端面加工，平整端面。【3D 任意毛坯粗加工】选择高性能粗加工、开放切削、螺旋进刀、顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-28，检测平面层优化全部，粗加工内槽，留出精加工余量0.3mm。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序型腔、切削模式顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-18.5、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式粗加工外形，留出精加工余量0.3mm。【基于3D模型的轮廓加工】选择Ø12mm、Ø15mm孔，切削模式顺铣加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，对孔Ø12mm、Ø15mm进行加工，留出精加工余量0.2mm。【基于3D模型的轮廓加工】对弯管轮壳体下部分外形、内孔、内矩形等进行精铣，切削模式顺铣加工优先顺序深度、路径补偿为中心路径、垂直进给模式固定步距、水平进给模式固定步距，控制各尺寸。【3D 平面加工】选择内槽平面，螺旋下刀进给方式加工、对内槽进行精铣并控制深度；【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序平面、切削模式顺铣、加工区域最高点0至最低点-4、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式粗加工外形槽，留出精加工余量0.2mm。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序平面、切削模式顺铣、加工区域最高点0至最低点-2.5、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式粗加工2外键，留出精加工余量0.2mm。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序平面、切削模式顺铣、加工区域最高点0至最低点-2.5、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式粗加工4XØ6mm外圆柱，留出精加工余量0.2mm。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序平面、切削模式顺铣、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式精加工外形槽、2外键、4XØ6mm外圆柱，控制各尺寸。【基于 3D 模型的倒角加工】对弯管轮壳体下部分进行倒角加工，倒角模式选择模型倒角，刀具位置为自动顺铣，路径补偿为中心路径，进给模式单一路径。【啄钻】选择4个螺纹孔M5、孔Ø4.2mm进行钻孔加工。钻孔模式为2D钻孔、轮廓选择点、排序策略最短距离，钻孔深度-14mm。至此完成弯管轮壳底部的加工。

2、 弯管轮壳体上部分加工：弯管轮壳体与底座用M5内六角螺栓固定好，加垫片装夹底座，防止夹伤工件。用百分表拖平工件，设置加工工件座标系。端面加工，平整端面控制总高度55mm。【3D 任意毛坯粗加工】选择高性能粗加工、开放切削、螺旋进刀、顺铣、加工区域最高点0.5至最低点-25，检测平面层优化全部，粗加工外形，留出精加工余量0.3mm。【5X 形状偏置粗加工】加工选项型腔由里向外，轴向排序、顺铣，模式采用驱动曲面模式，安全模式径向，加工区域顶部0底部-13.5，倾斜策略法向于驱动曲面，加工叶片。【3D 任意毛坯粗加工】加工方向为轮廓平行、加工优先顺序平面、切削模式顺铣、加工区域最高点0至最低点-12.5、检测平面层优化全部。采用螺旋下刀进给方式粗加工弯管部分，留出精加工余量0.2mm。【基于3D模型的轮廓加工】对叶片高度进行精铣、控制。【5X 单曲线侧刃加工】选择倾斜面，进给模式单向、倾斜策略ISO、进刀与退刀采用圆弧方式，对倾斜面进行精铣加工。【3D 切削边缘加工】选择叶片底部圆弧，加工模式曲线、刀具位置右，加工叶片底面圆弧。【5X 形状偏置精加工】加工选项仅底部、加工优先顺序从外向内、模式零件曲面模式、安全模式径向，加工弯管轮壳体上部分表面。

【5X 等高精加工】加工优先顺序优先螺旋、垂直进给模式常量垂直步距、5轴倾策略偏置曲线、偏置量8、侧倾角度24，注意干涉避让。【基于 3D 模型的倒角加工】对弯管轮壳体上部分进行倒角加工，倒角模式选择模型倒角，刀具位置为自动顺铣，路径补偿为中心路径，进给模式单一路径。至此结束整个编程任务。

三、程序后置

五轴切削编程在后处理时，很可能会产生联锁和定锁的结合点，因此，应在后处理时分别产生联锁和定锁。在处理定向铣削加工程序的时候，应勾选五轴定向铣的选项，钩上五轴定向铣，并将路径转换精度调整到0.005以下，这样在进行直线插补时，可以提高零件的插补精度，提高加工精度。

四、结束语

五轴加工中心操作工竞赛的重点是要求选手能够在有限时间内完成零件加工，这就要求选手在加工过程中既要保证零件加工精度，又要保证加工速度。如果不能兼顾这两个方面，就很难在竞赛中取得好成绩。因此，五轴加工中心操作工竞赛的重点是“快”，同样要确保“精”。

［参考文献］

[1] 易守华,等. Hypermill数控加工案例教程[M].北京:理工大学出版社,2021.

[2]于凤丽.公差配合与技术测量. [M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]徐宏海.数控加工工艺. [M].北京：中央广播电视大学出版社，2008.

[4]李锋.数控加工工艺与编程. [M].北京：化学工业出版社，2019.