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摘要：2016年全国数控技能大赛广东教育厅预选赛（学生组）的4轴加工中心试题，是一十分典型的镂空类4轴加工中心加工零件。该零件沿回转体轴向对称布置有正六方体、椭圆柱、圆台等多个特征，径向还有圆形通孔，结构较为复杂，且尺寸精度、形位精度均要求较严。要完成此零件加工，需用到铣孔、铣凸台、铣柱面，以及钻孔等多个加工方法。本文对此典型镂空零件的加工进行了工艺分析、UG数控编程，以及工件试切验证。
关键词：数控加工 镂空零件 技能大赛
2016年全国数控技能大赛广东教育厅预选赛学生组的4轴加工中心试题，零件工程图见图1，毛坯尺寸为Φ125×90mm。零件加工涉及主要内容及要求有：
（1）零件轴向、径向孔形、槽型和异型结构加工；（2）多特征连接、配合部位加工；
（3）零件加工要求尺寸精度、位置精度不高于IT6级，且表面粗糙度不超过Ra0.8μm；
（4）毛坯材料LY12。
赛场提供的机床为大连机床厂生产的VDL600A加工中心，该机床所配数控系统为国产华中数控 HNC-210B系统。
下面将对此典型镂空零件加工进行工艺分析、UG8.5数控编程，以及严格尺寸的工件试切验证。
一、工件装夹位安排
由于零件轴向总长为115mm，但赛场提供的毛坯总长仅仅125mm，所以供卡盘夹持的长度余量将近10mm。这样少的夹持余量，按常规不可能1次装夹加工完成。我们根据零件自身结构及试题加工要求，结合赛场提供的机床及卡盘、平口钳等夹具设备，分析得出此零件加工可分3次装夹来完成。
第一次装夹：用赛场提供的加工中心A轴卡盘夹住图2中红色部分，用D10mm立铣刀精加工零件轴向Φ40圆环的右侧部分。这第一刀加工的目的，既是除去除多余铝料，也是为第二次装夹加工产生装夹位。为此，应安排用适应平面精加工需求的较小D10mm立铣刀加工，且必须精加工到位。
第二次装夹：待第一次装夹精加工完成后，需将零件调头装夹，用机床A轴卡盘夹住图3中红色部分，即上一工序中用D10mm立铣刀精加工到位的零件右侧轴向榫头圆柱面部位。然后根据零件结构及试题加工要求，选择相应加工要求的刀具，对当前夹持部位右侧的剩下所有位置分别进行粗、精加工，且需加工到位。
第三次装夹：在上述第二装夹位所有粗、精加工完成后，零件轴向柱面分布的特征就已全部加工到位，仅剩“榫头端面”及轴向最大通孔未加工。故此时仅需将工件竖起来，用机床自带平口钳将“半成品”零件在铣床工作台上夹持住图4中红色部位，然后分别进行粗、精加工。具体为，先用D10mm立铣刀粗、精加工带榫头的圆盘端面，再用D6mm立铣刀粗、精加工榫头轮廓立面，然后用定制的特长D12立铣刀对轴向通孔进行加工，且加工到位即可。极需重视一点是，加工轴向大通孔前一定对带榫头的圆盘端面精加工到位，以保证零件的轴向总体尺寸。因被夹持部位是正六方盘特征，故可直接用机床自带平口钳装夹正六方盘的立平面即可；当然，若为夹持稳固保险起见，也可用压板夹持，此夹持法见图11。
二、零件粗、精加工安排
1、第一装夹位，粗、精加工安排
零件在第一裝夹位的粗、精加工可安排两刀完成。由于此工序一主要目的是为第二次装夹产生装夹位，且加工部位为容易加工的规整圆柱面，故精加工时可一刀成型。由于是精加工，为保证加工尺寸精度及表面质量，不用以效率见优的大直径刀，改用较小但兼顾效率的D12mm立铣刀。见图5。
2、第二装夹位，粗、精加工安排
当零件在第一装夹位粗、精加工后，产生出精准圆柱面，就可将工件调头装夹，用机床A轴卡盘夹持住刚加工出的精准圆柱面，然后再对此时的工件右侧所以特征进行粗、精加工。由于零件径向分布的所有特征面几乎均有与试题中第二组件的配合要求，故尺寸、形状精度均要求较高；为达到图纸各加工精度要求，所有部位均应安排分粗、精加工来完成。
这里可按常规加工方法，先用“型腔铣”将零件分上下两对称部分进行整体开粗，然后对圆角R8，长30的U形槽孔二次开粗。对应各工序加工部位分别见图6、图7。
当上述整体开粗及二次开粗完成后，工件余量已不多，约为0.1mm，然后就可安排精加工工序。精加工时需对所有进行过二次开粗的部位进行精加工，且另需对零件轴向大正六方盘、相邻浅圆盘的径向台面，立面进行精加工；还需对轴向另一端的4组共8个榫头的轮廓立面、顶面进行精加工。精加工部位及方法，不在此赘述，将在下文第三目“加工方法及刀具安排”中另作介绍。
3、第三装夹位，粗、精加工安排
当前面第一、第二两个装夹位加工完成后，工件仅剩轴向大通孔及帶榫头的轴端面未加工了。由于零件轴向大通孔内圆柱面不是与试题中另一组件的主要装配面，其形状精度、尺寸精度的要求均不很高，故可安排粗、精加工一次完成；但为保证必要加工质量，内孔圆柱面及轴端面应各自独立安排加工工序。两工序分别见图8～图10。
三、精加工方法及刀具安排
根据零件结构特点及加工要求，工艺重点应是第二装夹位的加工。这里接续上述第二装夹位中的粗加工工序来安排精加工方法及刀具。
（1）见图12，精加工部位为72×72正六方体端面。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应平面精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（2）见图13，精加工部位为72×72正六方体轴向“柱面”。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以正六方体柱面为驱动面；刀轴控制为“4轴-垂直于驱动体”。刀具选择适应精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（3）精加工部位为72×72正六方体轴向与Φ40圆环连接的颈部。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
（4）精加工部位为Φ40圆环连接正六方体颈部的交界处。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，曲线需用轮廓线偏置来辅助构造；刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
（5）精加工部位为粗、精铣Φ40圆环的内外柱面。加工方法为“深度加工拐角”，刀轴控制为“指定矢量”，矢量为Φ40圆环的轴向，切削区域选择圆环内外柱面。刀具选择适应精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（6）精加工部位为Φ40圆环端面。加工方法为“面铣”，刀轴控制为“指定矢量”，矢量为Φ40圆环的轴向；刀具切削模式为“跟随周边”。刀具选择适应曲面精加工要求的小刀D6R3mm球刀。
（7）精加工部位为长轴37.5，短轴27.5的椭圆柱面。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以椭圆柱面为驱动面；刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应曲面精加工要求的小刀D6R3mm球刀。
（8）精加工部位为3-40小正六方体“柱面”。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以小正六方体柱面为驱动面；刀轴控制为“4轴-垂直于驱动体”。刀具选择适应平面精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
参考文献：
[1]张喜江，多轴数控加工中心编程与加工技术.化学工业出版社，2014.
[2]高长银、李万全、刘丽. 多轴数控加工中心编程与加工技术.化学工业出版社，2015.
作者简介：
刘昌鹏（1976～），男，湖北荆门人，惠州经济职业技术学院机电工程系讲师，工学硕士，主要从事CAD/CAM软件应用、数控机床电气控制、模具设计与制造等领域的教学与研究。
关键词：数控加工 镂空零件 技能大赛
2016年全国数控技能大赛广东教育厅预选赛学生组的4轴加工中心试题，零件工程图见图1，毛坯尺寸为Φ125×90mm。零件加工涉及主要内容及要求有：
（1）零件轴向、径向孔形、槽型和异型结构加工；（2）多特征连接、配合部位加工；
（3）零件加工要求尺寸精度、位置精度不高于IT6级，且表面粗糙度不超过Ra0.8μm；
（4）毛坯材料LY12。
赛场提供的机床为大连机床厂生产的VDL600A加工中心，该机床所配数控系统为国产华中数控 HNC-210B系统。
下面将对此典型镂空零件加工进行工艺分析、UG8.5数控编程，以及严格尺寸的工件试切验证。
一、工件装夹位安排
由于零件轴向总长为115mm，但赛场提供的毛坯总长仅仅125mm，所以供卡盘夹持的长度余量将近10mm。这样少的夹持余量，按常规不可能1次装夹加工完成。我们根据零件自身结构及试题加工要求，结合赛场提供的机床及卡盘、平口钳等夹具设备，分析得出此零件加工可分3次装夹来完成。
第一次装夹：用赛场提供的加工中心A轴卡盘夹住图2中红色部分，用D10mm立铣刀精加工零件轴向Φ40圆环的右侧部分。这第一刀加工的目的，既是除去除多余铝料，也是为第二次装夹加工产生装夹位。为此，应安排用适应平面精加工需求的较小D10mm立铣刀加工，且必须精加工到位。
第二次装夹：待第一次装夹精加工完成后，需将零件调头装夹，用机床A轴卡盘夹住图3中红色部分，即上一工序中用D10mm立铣刀精加工到位的零件右侧轴向榫头圆柱面部位。然后根据零件结构及试题加工要求，选择相应加工要求的刀具，对当前夹持部位右侧的剩下所有位置分别进行粗、精加工，且需加工到位。
第三次装夹：在上述第二装夹位所有粗、精加工完成后，零件轴向柱面分布的特征就已全部加工到位，仅剩“榫头端面”及轴向最大通孔未加工。故此时仅需将工件竖起来，用机床自带平口钳将“半成品”零件在铣床工作台上夹持住图4中红色部位，然后分别进行粗、精加工。具体为，先用D10mm立铣刀粗、精加工带榫头的圆盘端面，再用D6mm立铣刀粗、精加工榫头轮廓立面，然后用定制的特长D12立铣刀对轴向通孔进行加工，且加工到位即可。极需重视一点是，加工轴向大通孔前一定对带榫头的圆盘端面精加工到位，以保证零件的轴向总体尺寸。因被夹持部位是正六方盘特征，故可直接用机床自带平口钳装夹正六方盘的立平面即可；当然，若为夹持稳固保险起见，也可用压板夹持，此夹持法见图11。
二、零件粗、精加工安排
1、第一装夹位，粗、精加工安排
零件在第一裝夹位的粗、精加工可安排两刀完成。由于此工序一主要目的是为第二次装夹产生装夹位，且加工部位为容易加工的规整圆柱面，故精加工时可一刀成型。由于是精加工，为保证加工尺寸精度及表面质量，不用以效率见优的大直径刀，改用较小但兼顾效率的D12mm立铣刀。见图5。
2、第二装夹位，粗、精加工安排
当零件在第一装夹位粗、精加工后，产生出精准圆柱面，就可将工件调头装夹，用机床A轴卡盘夹持住刚加工出的精准圆柱面，然后再对此时的工件右侧所以特征进行粗、精加工。由于零件径向分布的所有特征面几乎均有与试题中第二组件的配合要求，故尺寸、形状精度均要求较高；为达到图纸各加工精度要求，所有部位均应安排分粗、精加工来完成。
这里可按常规加工方法，先用“型腔铣”将零件分上下两对称部分进行整体开粗，然后对圆角R8，长30的U形槽孔二次开粗。对应各工序加工部位分别见图6、图7。
当上述整体开粗及二次开粗完成后，工件余量已不多，约为0.1mm，然后就可安排精加工工序。精加工时需对所有进行过二次开粗的部位进行精加工，且另需对零件轴向大正六方盘、相邻浅圆盘的径向台面，立面进行精加工；还需对轴向另一端的4组共8个榫头的轮廓立面、顶面进行精加工。精加工部位及方法，不在此赘述，将在下文第三目“加工方法及刀具安排”中另作介绍。
3、第三装夹位，粗、精加工安排
当前面第一、第二两个装夹位加工完成后，工件仅剩轴向大通孔及帶榫头的轴端面未加工了。由于零件轴向大通孔内圆柱面不是与试题中另一组件的主要装配面，其形状精度、尺寸精度的要求均不很高，故可安排粗、精加工一次完成；但为保证必要加工质量，内孔圆柱面及轴端面应各自独立安排加工工序。两工序分别见图8～图10。
三、精加工方法及刀具安排
根据零件结构特点及加工要求，工艺重点应是第二装夹位的加工。这里接续上述第二装夹位中的粗加工工序来安排精加工方法及刀具。
（1）见图12，精加工部位为72×72正六方体端面。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应平面精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（2）见图13，精加工部位为72×72正六方体轴向“柱面”。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以正六方体柱面为驱动面；刀轴控制为“4轴-垂直于驱动体”。刀具选择适应精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（3）精加工部位为72×72正六方体轴向与Φ40圆环连接的颈部。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
（4）精加工部位为Φ40圆环连接正六方体颈部的交界处。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲线、点”，曲线需用轮廓线偏置来辅助构造；刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
（5）精加工部位为粗、精铣Φ40圆环的内外柱面。加工方法为“深度加工拐角”，刀轴控制为“指定矢量”，矢量为Φ40圆环的轴向，切削区域选择圆环内外柱面。刀具选择适应精加工要求的小刀D10mm立铣刀。
（6）精加工部位为Φ40圆环端面。加工方法为“面铣”，刀轴控制为“指定矢量”，矢量为Φ40圆环的轴向；刀具切削模式为“跟随周边”。刀具选择适应曲面精加工要求的小刀D6R3mm球刀。
（7）精加工部位为长轴37.5，短轴27.5的椭圆柱面。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以椭圆柱面为驱动面；刀轴控制为“远离直线”，该直线为零件轴心线。刀具选择适应曲面精加工要求的小刀D6R3mm球刀。
（8）精加工部位为3-40小正六方体“柱面”。加工方法为“可变轴流线铣”，驱动方法为“曲面”，以小正六方体柱面为驱动面；刀轴控制为“4轴-垂直于驱动体”。刀具选择适应平面精加工要求的小刀D8mm立铣刀。
参考文献：
[1]张喜江，多轴数控加工中心编程与加工技术.化学工业出版社，2014.
[2]高长银、李万全、刘丽. 多轴数控加工中心编程与加工技术.化学工业出版社，2015.
作者简介：
刘昌鹏（1976～），男，湖北荆门人，惠州经济职业技术学院机电工程系讲师，工学硕士，主要从事CAD/CAM软件应用、数控机床电气控制、模具设计与制造等领域的教学与研究。