利用角度头的五轴宏程序加工

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利用角度头的五轴宏程序加工

作者：温南方

来源：《中国科技纵横》2024年第12期

摘 要：综合运用角度头、宏程序、模拟仿真等多项加工技术，在典型案例上实现内侧不同结构的加工。利用角度头可以解决常用刀柄无法加工内侧尺寸的难题。宏程序可以充分发挥角度头的作用。运用VERICUT软件模拟，预防刀具与工件发生碰撞，检查过切和残留，优化加工参数。

关键词：角度头；VERICUT；模拟仿真；宏程序；加工

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2024）12-0040-01

航空发动机上的工件结构复杂，空间有限，从工艺制造学上来说，可加工性较差，尤其在工件内侧。车铣刨磨等常规加工方法不能实现，大量依靠非常规加工，如线切割、电火花，而非常规加工中工艺控制要求严格，加工效率比常规加工低得多，两者相比相差10倍以上。 1 典型案例分析

工件内侧需要加工8个槽，位于安装边下方。其中4个槽宽6mm，圆角为R0.5mm，内侧为平面；另外4个槽宽13mm，圆角为R0.5mm，内侧为R73mm的圆弧，此案例中普通的刀柄是无法加工的。能够实现内侧槽加工加工方案有两种：第一种是电火花加工，第二种是采用角度头加工。

在电火花加工方案中至少需要两种电极，加工一件的时间在8小时以上，加工周期长。 在角度头加工方案中，存有诸多问题。问题1：角度头与主轴成90°角度，工件上4个方位，需要4次装夹，找正不方便；问题2：数铣的刀具伸长存在的误差为±0.5mm，不能通过刀具长度偏置G43补偿角度头刀长；问题3：因需要固定刀具方向，角度头不能使用自动换刀功能；问题4：内侧R73mm的圆弧如何形成。 2 设备选择和程序编制

为了达到加工效率最大化，采用第二种采用角度头的加工方案。针对分析提出的4个问题，制定4项措施。

措施1：在转台上一次装夹代替多次装夹。

选择有转台的数控设备或五轴加工中心，旋转轴带动工件转动，实现工件4个方位的加工。操作时，只需加工前将工件装夹在旋转轴上，即可完成每一个工位的加工。

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措施2：用宏程序计算刀具补偿值。

数控设备的G43位刀具长度偏置，偏置方向为主轴方向，不适用于角度头上刀具长度偏置。为此，有必要使用宏程序来编程，使用一个变量（#1）表示实际刀具伸长，通过公式计算出补偿量。案例中4个宽6mm，内侧为平面的槽的宏程序内容及解释如（表1）。 宏程序中可以实现角度头上刀具伸长的自动补偿。变量#1为输入刀具实际伸出长度。当刀具伸出长度等于60mm时，变量#501为0，按理论值加工；当刀具伸长大于60mm时，变量#501为负数，执行局部坐标系，刀具后退；当刀具伸出长度小于60mm时，变量#501为正数，执行局部坐标系，刀具前进。

措施3：用1把刀将8个槽全部加工完成。

宽13mm槽和宽6mm槽的刀具均为φ6mm，R0.5mm铣刀，目的是用1把刀将所有加工内容完成，不必进行换刀。

在局部坐标系使用变量#501，其目的是加工后面加工是时用到变量#501，不需在每一段输入刀长值，防止遗漏。因为#501为公共变量，即使断电也不丢失。 措施4：设计宏程序，将圆弧按曲面加工。

在4个宽13mm槽，侧面是R73mm的圆弧，相当于数铣中曲面加工，编程时采用平行式曲面加工，即转台旋转一定角度后，刀具沿Z轴进行上或下运动。

曲面加工的程序通常是编程软件生成的，采用大量的小段直线去插补曲面加工。这样的程序有一个缺点：曲面曲率越大、曲面加工精度越高，所生成的数控程序越长，而且调整非常不便。宏程序可以解决精度大小与程序长短的矛盾。宽13mm槽的宏程序采用两级循环嵌套。第一级循环与宽6mm槽的程序类似，实现不同角度加工和刀具伸长补偿。第二级循环为曲面加工循环，通过调整控制步距的变量：#3，可以调整曲面加工精度，获得需要的粗糙度等级。曲面加工采用宏程序后，程序大大简化。 3 用VERICUT进行模拟仿真

角度头要进入工件内侧进行加工，并且工件的上端有安装边，为了避免角度头、刀具与工件发生碰撞，加工前需要在计算机进行模拟仿真。常用的仿真软件是VERICUT，该软件采用了三维显示及虚拟现实技术，可以验证和检测NC程序可能存在的碰撞、干涉、过切、切削参数不合理等问题，较广泛的应用于航空、航天、船舶、电子、汽车、机车、模具、动力及重工业的三轴及多轴的实际生产中。

在建立仿真模型中难度最大的是刀具方向、伸长设置。仿真软件中默认刀具是在主轴中心线上，而角度头、刀具与主轴中心线成90°，刀具朝X轴正方向加工。

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第1步：在VERICUT中选择“刀具组件”选项卡设置刀具直径、圆角半径、高、刃长、刀杆直径、主轴方向后，点“添加”按钮，出现了竖直的刀具图形。

第2步：选择“组合”选项卡中可以设定刀具移动，角度设置为：0 -90 0，表示刀具绕Y轴旋转-90°；位置设置为：60 0 0，表示刀具沿X轴移动60mm，得出理论刀具伸长，点击“修改”按钮，刀具图形变为水平，刀具设置成功。

第3步：将刀柄组件建立比例为1：1的方块、圆柱、圆锥即可完成角度头刀柄建模。 通过VERICUT确定变量#3的合理设置。在VERICUT模拟仿真中使用“自动-比较”功能计算过切和残留，因而可以将控变量#3设置的更为合理，一方面保证曲面精度和粗糙度，另一方面时间最短。程序中#3=0.08，精度在0.003mm，满足要求，加工时间为19分钟。 4 结语

角度头是一种机床附件，机床安上角度头后刀具旋转中心线可以与主轴旋转中心线成角度加工工件。

用户宏程序由于允许使用变量、算术和逻辑运算及条件转移，使得编制同样的加工程序更简便。宏程序可以设置变量解决角度头刀具长度补偿的难题，充分发挥角度头的作用。在曲面加工编程中，宏程序程序更具有可读性，可以方便调整曲面精度和表面粗糙度。

模拟仿真是在计算机上模拟数控加工。通过模拟仿真，可以将数控程序试加工的步骤在计算机上完成，减少浪费，提高验证数控程序的效率。

综合运用角度头、宏程序、模拟仿真等多项加工技术，来解决工件加工的问题，将可加工性较差的内侧加工转化思路，可以将需要用非常规加工的内容采用数铣完成，大大缩短加工时间，实现快速加工。 参考文献

[1]刘万菊.数控加工工艺及编程[M].北京：机械工业出版社，2007. [2]陈宏钧.实用金属切削手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]郑贞平.VERICUT 7.0中文版数控仿真技术与应用实例详解[M].北京：机械工业出版社，2011.