五轴五联动加工中心在钟表行业中的应用

2018-12-08 69

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广东珠江三角洲广州地区的钟表产量占全世界的1/4。为了提高产品的档次和品质、就要导入高档的三维CAD/CAM技术，参照瑞士生产高档钟表的工艺，适应多品种小批量的市场需求，直接采用(多轴甚至五轴)加工中心制造高档钟表，以保证其清晰棱线，坚挺锐角的独特风格和造型。

CAMAND软件是CAM领域的一把快刀，是适用于2～5轴的最优秀的软件包之一，尤以NURBS曲面设计造型和数控加工编程等功能强大而著名。

瑞士威力铭WILLMIN-408加工中心具有五轴五联动的加工能力。这类五轴机床在编程和后处理上具有代表性。通过对几个零件的加工实践探索到了用CAMAND编写五轴加工程序的方法。

1 基本原理和思想

图1
图2

如图1所示，利用I-DEAS MASTER SERIES或CAMAMD软件的CAD模块进行零件的造型，然后用CAM模块编程，即可得到数控加工的刀位文件(CL文件)，再通过后处理程序(该后处理程序是针对机床结构和数控系统编制的)，即可得到数控加工程序。

WILLMIN-408加工中心除X、Y、Z三个直线运动外，还带有一个摆动盘和一个旋转工作台。如图2所示，旋转工作台的中心与工作台旋转轴C重合，摆动盘的旋转轴B与工作台旋转轴C垂直相交。该机床是专用于钟表生产的，在旋转工作台的中心装有专用夹具固定工件，这样保证了工件的中心就是旋转轴C，把中心的X、Y值和夹具定位面上的Z值等输入工件坐标系，以备加工程序调用。

该加工中心配法国NUM-1060数控系统，针对五轴平面倾斜定义了一个G150代码，可由系统本身计算出平面倾斜后的坐标变化。如图3所示，在平面倾斜和旋转前加工点的坐标为X-10.0 Y-0.0 Z-5.0，为了在平面倾斜30°同时C轴旋转后，仍能加工到该点，可使用G150代码，数控系统会计算出平面倾斜后该点的位置。在实际加工中，对简单的平面倾斜经常使用该功能。实际上在CAM中编程也同样要建立起工件相对于摆动轴的距离，以生成正确的NC程序。用CAM编写五轴加工程序，需要定出加工坐标系，该坐标系的原点即摆动轴B的位置，五轴NC程序和三轴NC程序的加工坐标系要一致。如果三轴NC程序以工件底面为Z₀，则五轴NC程序Z值都必须减去摆动轴B至工件底面的距离。

为检验G150或CAM中的配置是否正确，可用图4所示的简单零件加工来检验。其毛坯是Ø26mm的圆柱，用Ø8mm的立铣刀光上表面，铣矩形20mm×15mm×10mm(三轴加工)，再用Ø8mm刀铣出四个槽(五轴加工)。加工后凸台宽度理论值应为5mm，测量实际值的误差。用这种简单零件的试加工证明机床配置正确后，方可进行较复杂的五轴加工或三轴五轴混合加工。

图3
图4

图5

2 加工实例

图5所示零件，是一款高档表的表壳，材料是不锈钢，毛坯40mm×28m×8mm，中间预钻Ø8mm孔，方便下刀。下面24mm×21mm×3mm的槽有两个功能既是装夹位.也是机芯位。WILLMIN-408机床最高转速18000r/min，使用进口Ø13mm玉米铣刀(硬质合金材料)，这样粗加工时，转速就可达4000r/min，进给速度可达500mm/min，并充分利用五轴加工能力，用圆柱立铣刀侧刃加工表壳R60.Omm曲面，用底刃加工毛坯四周材料及开耳处13mm(装表带位)、斜面76°和20°，表壳两侧圆弧面R1.5m和斜面45°粗加工用圆柱立铣刀侧刃，精加工用成形刀，这样既提高了效率又保证了表面质量。编程可直接用G150，方便直观，也可用CAM编程。在玻璃位处，需保证精度，这样装配玻璃后密封性能好，防水性好，可达5ATM，甚至1OATM，要保证与R60mm垂直，必须五轴联动用CAM编程，玻璃位圆角为R1.5mm，故选用Ø3mm立铣刀刀轴矢量控制方式可采用曲面法向(NORMAL),利用投影曲线功能建立刀中曲线，这样底面的加工质量好一些。刀轴矢量控制也可采用相切TANTO()方式，建立直纹曲面，设置刀具直径为Ø0.001mm，这样侧面的加工质量好一些。在五轴联动加工中，进给速度的控制与三轴直线运动不同，三轴中用G94代码表示；五轴联动有轴的旋转运动，为使转动均匀，被加工表面光顺，必须用反比速度，在NUM-1060数控系统中用G93代码表示，每1mm或1°用了多少秒，而且在每个坐标位置都有一个进给速度，这样就保证运动均匀，进给速度由CAM软件生成。整个表壳一次装夹，加工需时1min左右。

通过几十款表的加工，总结了一些五轴加工经验：

加工曲面时可用固定轴(FIX)矢量方式，类似于三轴加工，但轴矢量倾斜一角度，不平行于任一机床轴，这样用球头刀加工时，避开球头刀的端点切削，因该点的线速度为零，可提高加工效率和表面质量。
使用法向(NORMAL)矢量方式时，切点可设定在刀具平面内任意位置，可根据需要指定切点，得到所要曲面，用刀具底面切削的表面质量较好，应尽量采用。
使用切向(TANTO)矢量方式时，最好使用直纹曲面，直纹曲面的方向确定了刀轴方向，故曲面要光顺，不能有褶皱和扭曲。
加工曲面时，可建立其法向面或法线，以用来控制刀轴方向，生成加工程序。
为防止过切，在生成五轴加工程序时，要设置好干涉检查面，并进行刀具轨迹验证及机床模拟，确保无误后，方可使用。

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