摘要:介绍了质量检测在五轴加工中的重要性，“S”件是验证五轴数控机床加工性能的标准，针对五轴数控机床的性能要求，在CAM软件中对加工策略进行了优化，并完成虚拟切削和实际加工。以三坐标测量仪为检测平台，对已加工的“S”件完成检测;并采用逆向扫描仪获取点云数据，对“S”件逆向检测分析，验证其正确性。解决了五轴数控机床加工性能检测，对五轴数控机床性能指标评价有一定的指导意义。
关键词:三坐标测量仪;五轴机床;“S”件;质量检测
零件精度影响设备的动能、噪音以及使用寿命，受加工工艺、检测设备、测量方法等因素的影响，零件加工精度和设计图纸总有一定的误差，质量检测是检验零件精度的关键环节。能准确检测出零件的加工精度，并能分析出加工误差的原因。常用的测量方法有:人工检测、三坐标测量仪检测、逆向检测、在线检测等测量方法［1］。“S”件由S形缘条和矩形底座组成，S形缘条由两条直纹面构成，依靠刀具的侧刃完成加工，“S”是检验五轴机床性能的重要指标，依靠传统的检测方法很难完成。传统的检测方法依靠样板比对检测，分析接触面的间隙来判断零件加工精度。此方法已不能满足复杂曲面检测。为获得更准确的检测数据，需采用三坐标检测、逆向检测、在线检测完成。三坐标检测是测头通过提取零件表面几何点元素与零件三维模型比较的检测方法。逆向检测是通过三维扫描仪将已加工的模型通过扫描读取点云数据，再将点云数据处理为三维模型，通过原始三维模型和逆向重构的模型之间进行分析得出的数据。在线检测是在五轴数控机床上安装测头完成检测，与图纸相比较，根据偏差实施补偿再加工以达到图纸要求的检测方法［2］。笔者提出了“S”件质量检测方法，采用正、逆向检测，重点通过检测数据分析，得出FEELER_U600五轴加工中心符合验收精度要求，能够满足航空类薄壁类零件加工，为验收五轴数控机床提供了可靠依据，对精密零部件加工有重要意义。
1“S”件五轴加工
“S”件需在五轴加工中心上完成，分为五轴编程、虚拟仿真、五轴加工三个基本步骤。避免在加工过程中产生应力变形，选择螺栓压紧方式，粗加工时，已经完成螺栓孔加工。加工“S”件用于验证五轴机床的运动特性，分析在加工的过程中是否存在过切、欠切、表面波纹等现象［3］。1．1五轴编程为了减少应力变形，在前道工序已经完成了粗加工并保证加工余量均匀。五轴编程策略如图1所示。将数模导入CAM软件中，如图1(a)所示，设置加工坐标系、选择加工策略、切削参数及碰撞检测分析等步骤。如图1(b)所示，五轴侧铣半精加工直纹面，保证每一层加工余量均匀，防止变形。如图1(c)所示，完成“S”件底面精加工，选择平面加工策略，侧壁留余量，防止刀具加工至“S”件直纹面，影响其精度。如图1(d)完成“S”件侧面精加工，刀具一次完成侧面精加工，保证其一致性。将3个加工策略输出NC代码，用于虚拟仿真。1．2虚拟仿真加工虚拟仿真能够验证五轴数控程序的正确性，如图2所示，以Vericut软件为平台，为验证其正确性，导入粗加工毛坯模型，仿真使用的数控系统机床参数要与实际机床参数相一致，并设置机床行程极限和干涉检查。五轴侧铣半精加工和精加工直纹面，由于某些位置和底面的夹角小于90°，允许“S”件侧面底部留有残余，如图2(a)所示为虚拟仿真加工结果，图2(b)“S”件精度分析底部存在残留。经虚拟仿真验证，粗加工余量合理，数控程序正确无过切，刀具与夹具未发生干涉，此加工策略可在五轴数控机床上进行加工。1．3实际加工以FEELER_U600五轴加工中心为研究对象，验证其加工性能。在实际加工时，毛坯已在前道工序中完成了粗加工及螺栓孔加工如图3(a)，在本道工序中，采用M16的螺旋压紧工件，矩形底座底面与螺栓顶面之间距离大于2mm以上，防止刀具与紧固螺钉之间发生干涉。刀具选择φ12mm的铝用立铣刀，刃长30mm左右，需在机外对刀仪测量刀具直径和摆长，精加工参数如表1所示，保证加工精度减小应力变形，在机床条件满足的情况下，尽可能选择高转速和进给速度［4－5］。加工结果如图3(b)所示。
2“S”件质量检测
2．1正向检测
正向检测在三坐标测量仪上完成，如图4所示，按照标准规定，如图4(a)所示，两条直纹面相对于基准A、B、C的轮廓度误差，两条直纹面的测量点数不少于120个。公差控制在0．12mm之内［6］。为了获取更高的测量精度，需对测针进行校准，减少测针测量误差，校准探针可以确定探针的实际位置，并能补偿测球半径及探针变形挠度误差。根据“S”件几何形状，测量时，需创建一个新的探针组，并命名为“test”，测量的位置不同，测针的倾斜角度也不同，如图4(b)所示，“S”件检测需要定义四个测针，测针的倾斜角度15°左右为宜。获取的部分检测数据如表2所列。根据检测数据分析，所加工的“S”件符合精度要求。
2．2逆向检测
逆向检测需完成点云数据采集、处理及优化等工作。通过逆向扫描重新获取已加工的“S”件几何模型数据，如图5所示，此次研究采用非接触式三维扫描仪完成点云采集。为了获取准确的点云数据，扫描前期需对已加工的“S”件，完成表面处理、粘贴标识点、制定扫描策略等工作。带有变斜角度需多次扫描才能完成，工件位置要摆放合理，尽量减少扫描步骤，以减少累计误差。获取“S”件点云数据后，为保证点云数据精确，需对点云数据进行处理。减少杂点噪音点，尽量让点云分布均匀且平滑。为了便于观察点云的分布情况，对点云进行着色处理。由于扫描设备与扫描策略的原因，扫描的数据存在系统误差和扫描误差，有些点的误差比较大，超出了允许范围，必须去除体外孤点、非连接点等操作，以获得更精确的点云数据，处理后的“S”件点云数据如图5(a)所示。图5“S”件逆向检测封装点云数据，将“S”件的点云数据转换为多边形几何模型，封装后的几何模型另存为“stl”格式，导入至GeomagicDesign软件完成“S”件几何模型重构。完成“S”件几何模型重构后，需对原始模型和重构后的模型进行分析，用不同的颜色显示公差范围。重构后的模型偏差如图5(b)所示，“S”件的关键部位符合检测要求，所加工的“S”件符合精度要求［2］。通过上述两种检测方法，FEELER_U600五轴加工中心性能满足空间复杂曲面加工，尤其是航空类薄壁零件加工，对验收五轴数控机床有一定的参考价值。
3结论
(1)阐述了质量检测的重要性，以五轴S件加工为研究对象，分析了“S”件的五轴编程、虚拟加工仿真、实际加工;三坐标检测、逆向扫描检测，通过正向与逆向两种检测方法对“S”件进行检测。(2)分析了“S”件数学模型，通过五轴侧刃加工策略，完成了粗精加工，在虚拟仿真软件中对加工模型进行了数据分析，显示侧面与底面夹角小于90°的位置存在材料残留，在实际加工中，和仿真完全吻合，“S”件底部也存在着残留。(3)通过验证，将实际加工的“S”件用三坐标和逆向扫描检测的方法检测，其检测数据与要求一致。通过验证，加工的“S”件符合标准，该方法适合机床验收标准、机床日常维护、零件检测分析等，也可用于机床厂家和数控系统厂家用于检测、调试精度和系统优化。对验收五轴数控机床及分析机床运动特性有重用的意义。
参考文献:
［1］孙耀恒，王科健．基于五轴联动机床后处理的开发与验证［J］．机械研究与应用，2020，33(02):154－157．
［2］孙耀恒，王科健，孙护义．基于增压叶轮逆向设计与五轴加工后处理的开发［J］．机械工程师，2019(08):77－79+82．
［3］孙耀恒，王科健．基于IMSPOST五轴海德汉系统后处理的开发［J］．智能制造，2018(10):48－50．
［4］赵肖．基于“S”件精加工的铣削力精确建模和让刀变形预测研究［D］．成都:电子科技大学，2017．
［5］王耀辉．基于“S”形试件的机床刚度特性检验方法研究［D］．成都:电子科技大学，2015．
［6］边志远，丁杰雄，赵旭东，等．基于“S”件的五轴数控机床加工性能综合评价方法研究［J］．组合机床与自动化加工技术，2015(02):86－89．
作者：孙耀恒 房明 单位：白银矿冶职业技术学院