五軸五聯(lián)動加工中心在鐘表行業(yè)中的應(yīng)用

廣東珠江三角洲廣州地區(qū)的鐘表產(chǎn)量占全世界的1/4。為了提高產(chǎn)品的檔次和品質(zhì)、就要導(dǎo)入高檔的三維CAD/CAM技術(shù)，參照瑞士生產(chǎn)高檔鐘表的工藝，適應(yīng)多品種小批量的市場需求，直接采用(多軸甚至五軸)加工中心制造高檔鐘表，以保證其清晰棱線，堅挺銳角的獨特風(fēng)格和造型。

CAMAND軟件是CAM領(lǐng)域的一把快刀，是適用于2～5軸的最優(yōu)秀的軟件包之一，尤以NURBS曲面設(shè)計造型和數(shù)控加工編程等功能強大而著名。

瑞士威力銘WILLMIN-408加工中心具有五軸五聯(lián)動的加工能力。這類五軸機床在編程和后處理上具有代表性。通過對幾個零件的加工實踐探索到了用CAMAND編寫五軸加工程序的方法。

1 基本原理和思想

如圖1所示，利用I-DEAS MASTER SERIES或CAMAMD軟件的CAD模塊進行零件的造型，然后用CAM模塊編程，即可得到數(shù)控加工的刀位文件(CL文件)，再通過后處理程序(該后處理程序是針對機床結(jié)構(gòu)和數(shù)控系統(tǒng)編制的)，即可得到數(shù)控加工程序。

圖1

WILLMIN-408加工中心除X、Y、Z三個直線運動外，還帶有一個擺動盤和一個旋轉(zhuǎn)工作臺。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)工作臺的中心與工作臺旋轉(zhuǎn)軸C重合，擺動盤的旋轉(zhuǎn)軸B與工作臺旋轉(zhuǎn)軸C垂直相交。該機床是專用于鐘表生產(chǎn)的，在旋轉(zhuǎn)工作臺的中心裝有專用夾具固定工件，這樣保證了工件的中心就是旋轉(zhuǎn)軸C，把中心的X、Y值和夾具定位面上的Z值等輸入工件坐標(biāo)系，以備加工程序調(diào)用。

圖2

該加工中心配法國NUM-1060數(shù)控系統(tǒng)，針對五軸平面傾斜定義了一個G150代碼，可由系統(tǒng)本身計算出平面傾斜后的坐標(biāo)變化。如圖3所示，在平面傾斜和旋轉(zhuǎn)前加工點的坐標(biāo)為X-10.0 Y-0.0 Z-5.0，為了在平面傾斜30°同時C軸旋轉(zhuǎn)后，仍能加工到該點，可使用G150代碼，數(shù)控系統(tǒng)會計算出平面傾斜后該點的位置。在實際加工中，對簡單的平面傾斜經(jīng)常使用該功能。實際上在CAM中編程也同樣要建立起工件相對于擺動軸的距離，以生成正確的NC程序。用CAM編寫五軸加工程序，需要定出加工坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系的原點即擺動軸B的位置，五軸NC程序和三軸NC程序的加工坐標(biāo)系要一致。如果三軸NC程序以工件底面為Z0，則五軸NC程序Z值都必須減去擺動軸B至工件底面的距離。

圖3

為檢驗G150或CAM中的配置是否正確，可用圖4所示的簡單零件加工來檢驗。其毛坯是Ø26mm的圓柱，用Ø8mm的立銑刀光上表面，銑矩形20mm×15mm×10mm(三軸加工)，再用Ø8mm刀銑出四個槽(五軸加工)。加工后凸臺寬度理論值應(yīng)為5mm，測量實際值的誤差。用這種簡單零件的試加工證明機床配置正確后，方可進行較復(fù)雜的五軸加工或三軸五軸混合加工。

圖4

2 加工實例

圖5所示零件，是一款高檔表的表殼，材料是不銹鋼，毛坯40mm×28m×8mm，中間預(yù)鉆Ø8mm孔，方便下刀。下面24mm×21mm×3mm的槽有兩個功能既是裝夾位.也是機芯位。

圖5

WILLMIN-408機床最高轉(zhuǎn)速18000r/min，使用進口Ø13mm玉米銑刀(硬質(zhì)合金材料)，這樣粗加工時，轉(zhuǎn)速就可達(dá)4000r/min，進給速度可達(dá)500mm/min，并充分利用五軸加工能力，用圓柱立銑刀側(cè)刃加工表殼R60.Omm曲面，用底刃加工毛坯四周材料及開耳處13mm(裝表帶位)、斜面76°和20°，表殼兩側(cè)圓弧面R1.5m和斜面45°粗加工用圓柱立銑刀側(cè)刃，精加工用成形刀，這樣既提高了效率又保證了表面質(zhì)量。編程可直接用G150，方便直觀，也可用CAM編程。在玻璃位處，需保證精度，這樣裝配玻璃后密封性能好，防水性好，可達(dá)5ATM，甚至1OATM，要保證與R60mm垂直，必須五軸聯(lián)動用CAM編程，玻璃位圓角為R1.5mm，故選用Ø3mm立銑刀刀軸矢量控制方式可采用曲面法向(NORMAL),利用投影曲線功能建立刀中曲線，這樣底面的加工質(zhì)量好一些。刀軸矢量控制也可采用相切TANTO()方式，建立直紋曲面，設(shè)置刀具直徑為Ø0.001mm，這樣側(cè)面的加工質(zhì)量好一些。在五軸聯(lián)動加工中，進給速度的控制與三軸直線運動不同，三軸中用G94代碼表示；五軸聯(lián)動有軸的旋轉(zhuǎn)運動，為使轉(zhuǎn)動均勻，被加工表面光順，必須用反比速度，在NUM-1060數(shù)控系統(tǒng)中用G93代碼表示，每1mm或1°用了多少秒，而且在每個坐標(biāo)位置都有一個進給速度，這樣就保證運動均勻，進給速度由CAM軟件生成。整個表殼一次裝夾，加工需時1min左右。

通過幾十款表的加工，總結(jié)了一些五軸加工經(jīng)驗：

加工曲面時可用固定軸(FIX)矢量方式，類似于三軸加工，但軸矢量傾斜一角度，不平行于任一機床軸，這樣用球頭刀加工時，避開球頭刀的端點切削，因該點的線速度為零，可提高加工效率和表面質(zhì)量。

使用法向(NORMAL)矢量方式時，切點可設(shè)定在刀具平面內(nèi)任意位置，可根據(jù)需要指定切點，得到所要曲面，用刀具底面切削的表面質(zhì)量較好，應(yīng)盡量采用。

使用切向(TANTO)矢量方式時，最好使用直紋曲面，直紋曲面的方向確定了刀軸方向，故曲面要光順，不能有褶皺和扭曲。

加工曲面時，可建立其法向面或法線，以用來控制刀軸方向，生成加工程序。

為防止過切，在生成五軸加工程序時，要設(shè)置好干涉檢查面，并進行刀具軌跡驗證及機床模擬，確保無誤后，方可使用。