劉學(xué)航， 廖璘志

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代制造工程系,四川 宜賓 644003）

0 引言

在玩具制造業(yè)中，經(jīng)常會(huì)加工各種工藝品的模型。這些工藝品一般由形狀復(fù)雜的曲面構(gòu)成，加工難度大、加工精度高，通常需要使用CAD/CAM軟件編寫加工刀路。再將刀路文件后置處理成機(jī)床能識(shí)別的NC代碼傳輸?shù)蕉噍S機(jī)床上加工。這里說(shuō)的多軸機(jī)床是指4軸以上的數(shù)控機(jī)床，其中具有代表性的是5軸數(shù)控機(jī)床。將工件一次裝夾就可完成多項(xiàng)復(fù)雜的加工，它不但可以加工形狀復(fù)雜的三維曲面，而且刀軸的擺角可調(diào)，可以避免加工中刀具的過(guò)切、欠切和干涉。5軸機(jī)床大大減少了專用工裝夾具的使用，減少了加工準(zhǔn)備時(shí)間，提高了加工精度和生產(chǎn)效率，縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。目前，市場(chǎng)上的5軸機(jī)床種類很多，但在定義機(jī)床的旋轉(zhuǎn)軸時(shí)，通常定義A軸為繞X軸旋轉(zhuǎn)的軸；B軸為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的軸；C軸為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的軸，同時(shí)按笛卡爾原則規(guī)定逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)正方向，常見5軸機(jī)床的類型坐標(biāo)軸如圖1所示。

1 Powermill軟件簡(jiǎn)介

在多軸加工中，常用的CAM編程軟件有UG NX、Powermill、Hypermill、CAXA 制 造 工 程 師 、Mastercam X等。其中英國(guó)Delcam公司推出的Powermill軟件是具有代表性的軟件，目前，最新的版本是PowerMILL 2015。該軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和模具制造、制鞋等行業(yè)。

2“大力神杯”零件數(shù)控加工工藝分析

2.1 毛坯及裝夾方案

如圖2所示的大力神杯零件，整個(gè)外形成倒扣狀，外表面為不規(guī)則曲面。是較為典型的多軸加工零件。由模型分析可知：模型總高度為180 mm，底座最大處直徑為84 mm；零件表面多為回轉(zhuǎn)倒扣曲面，曲面陡峭；模型表面刻有兩個(gè)形象的大力士托起一個(gè)浮雕圖案的地球；零件構(gòu)成的圖素相當(dāng)精致和逼真，尺寸精度和表面粗糙度要求較高。為保證加工余量及裝夾，設(shè)定毛坯尺寸為φ85 mm×200 mm，材料為6061鋁合金實(shí)心圓棒料，直接用五軸機(jī)床粗加工時(shí)去除余量較大，加工時(shí)間較長(zhǎng)。為減少在5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的開粗加工時(shí)間，可以先把毛坯料用車床切削去除盡可能多的余料，如圖3所示。裝夾方案采用三爪自定心卡盤裝夾，如圖4所示。

2.2 加工最小刀具的選擇

在數(shù)控銑床/加工中心上使用的刀具主要有立（端）銑刀、面銑刀、球頭刀、鼓形刀和錐形刀等。選擇刀具時(shí)，首先根據(jù)加工內(nèi)容和零件輪廓外形確定刀具類型，再根據(jù)加工部分圓角或拐角大小選擇刀具大小。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，通過(guò)Powermill軟件的模型顯示選項(xiàng)功能分析可知，刀具半徑為1 mm時(shí)，基本能加工到所有局部特征，如圖5所示。因此，在選擇刀具時(shí)，最小的精加工刀具應(yīng)選擇R1的球頭銑刀。

2.3 零件加工工藝方案

大力神杯零件的加工采用Powermill 2015軟件進(jìn)行數(shù)控加工刀具路徑設(shè)計(jì)，軟件后置處理后的NC代碼使用法國(guó)HURON_K2X8_FIVE多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。由于零件要求的表面質(zhì)量高，遵循先粗后精加工原則，該零件采取粗加工、半精加工、精加工的工藝流程。粗加工采用“3+2”軸定向加工，精加工采用5軸聯(lián)動(dòng)加工；同時(shí)在加工過(guò)程中為避免機(jī)床主軸頭與工作臺(tái)和夾具的干涉，開粗時(shí)把加工坐標(biāo)系傾斜30°，其加工流程見表1。

表1 加工工序表

3 Powermill加工編程過(guò)程

3.1 零件粗加工策略設(shè)置

零件粗加工的目的是要盡快地去掉多余的材料，經(jīng)過(guò)車削后的毛坯還有較大的余料需要去除，如果采用5軸聯(lián)動(dòng)開粗，機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)幅度大，機(jī)床穩(wěn)定性差、振動(dòng)大，會(huì)加劇刀具磨損，縮短刀具使用壽命。所以，大力神杯的粗加工采用“3+2”定軸開粗，選用“偏置區(qū)域清除模型”策略，分別對(duì)毛坯的上下兩部分進(jìn)行粗加工，分兩次去掉余料。因此，在設(shè)置刀軌過(guò)程中需新建兩個(gè)加工坐標(biāo)系，新坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)30°，分別是“坐標(biāo)系1-30”和“坐標(biāo)系2-30”。生成的粗加工刀軌如圖6、圖7、圖8所示。

3.2 半精加工和精加工策略設(shè)置

從上面開粗刀軌的仿真效果可以看出，零件的外形輪廓已經(jīng)基本形成，余量很少了，但是由于開粗時(shí)選擇刀具較大，造成輪廓余量不均勻，局部地方的余量還很大。因此，需要對(duì)零件進(jìn)行半精加工，去掉不均勻的余料，給精加工留下均勻合理的余量。

對(duì)于具有多種刀軸定位部位特征的加工，使用投影加工策略可以獲得更加精確的精加工效果，Powermill提供了五種投影精加工策略：點(diǎn)投影精加工、直線投影精加工、平面投影精加工、投影曲線精加工以及曲面投影精加工。大力神杯零件屬于回轉(zhuǎn)零件，可以使用直線投影，也可以用曲面投影精加工。為了更好地控制曲面上加工刀路，這里采用曲面投影精加工策略，此策略沿單個(gè)參考曲面法向投影參考曲面到主部件（多曲面）上而形成刀具路徑，而刀軸方向由用戶指定。刀具路徑可跨越或沿著參考曲面方向（U或V），而行距則由單位距離或曲面曲線間的參數(shù)段來(lái)確定。產(chǎn)生參考曲面可以用UG NX或Power SHAPE等曲面造型軟件。如圖9的參考曲面是用UG NX8.5產(chǎn)生的，生成的半精加工和精加工刀軌如圖 10、圖 11、圖12所示。

3.3 斜面加工策略設(shè)置

底座的四個(gè)斜面（如圖13所示）采用“偏置區(qū)域清除模型”和“平行線精加工”加工策略進(jìn)行粗、精加工，生成的刀軌如圖14、圖15所示。

完成斜面的粗、精加工刀軌后，通過(guò)刀軌的變換得到其他幾個(gè)斜面的刀軌。

4 程序后置處理、Vericut仿真加工驗(yàn)證及機(jī)床實(shí)體加工

5軸聯(lián)動(dòng)加工中心是一種科技含量高、精密度高專門用于加工復(fù)雜曲面的加工中心，其運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，加工中出現(xiàn)任何微小的失誤都可能會(huì)對(duì)機(jī)床造成重創(chuàng)。為了保證實(shí)際加工的安全，需要對(duì)刀軌在后置處理后得到的程序進(jìn)行仿真切削。仿真切削可以校驗(yàn)刀軌的正確性，檢查加工中是否存在漏切、過(guò)切現(xiàn)象，可以初步檢驗(yàn)NC代碼是否滿足加工要求。還可以進(jìn)行干涉檢查和程序優(yōu)化，在編程軟件中進(jìn)行刀路仿真時(shí)，有些安全隱患是看不出的，如刀具對(duì)夾具產(chǎn)生的干涉等。所以在完成零件加工刀路編寫、程序后置處理后，需要用Vericut仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行仿真切削驗(yàn)證和程序優(yōu)化，確認(rèn)無(wú)誤后將優(yōu)化后的程序傳入機(jī)床進(jìn)行實(shí)體加工。加工過(guò)程中應(yīng)密切注意刀具的干涉情況和進(jìn)給速度變化，以保證零件順利加工完成。

“大力神杯”零件Vericut加工仿真操作步驟如下：

1）打開Vericut軟件，新建一個(gè)項(xiàng)目，調(diào)用已構(gòu)建好的HURON_K2X8_FIVE 5軸加工中心模型，根據(jù)機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈樹形圖和機(jī)床模型如圖16、圖 17所示。

2）調(diào)用 CNC 控制文件（SIN 840D）。

3）根據(jù)NC代碼中所指定的刀具規(guī)格和編號(hào)定義刀具列表并和刀具庫(kù)文件中的刀具號(hào)建立映射關(guān)系。

4）創(chuàng)建毛坯，可以采用軟件的繪圖功能繪制毛坯，也可以將事先做好的毛坯STL模型文件調(diào)入部件樹。

圖16 運(yùn)動(dòng)鏈樹形圖

圖17 機(jī)床切削模型圖

5）設(shè)置工件坐標(biāo)系，根據(jù)編程坐標(biāo)系可知，工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)置在毛坯頂面的中心。

6）調(diào)入Powermill后置處理好的NC程序。

7）開始加工仿真。仿真過(guò)程中，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與實(shí)際加工中機(jī)床運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，可以隨時(shí)變換角度觀察仿真情況，對(duì)機(jī)床、刀具以及夾具之間的干涉情況進(jìn)行校驗(yàn)。大力神杯零件的加工仿真如圖18所示。

8）仿真結(jié)果分析了零件有無(wú)干涉情況，有無(wú)過(guò)切、欠切等情況。若切削模型不理想，需要調(diào)整和更換NC程序，再次仿真加工，直至切削模型與設(shè)計(jì)原型一致，然后對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。

9）將仿真優(yōu)化后的程序傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床，進(jìn)行實(shí)際切削加工，加工后的零件如圖19所示。

圖18 仿真加工效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文以大力神杯零件為例，介紹了零件的工藝工裝、Powermill軟件編程的過(guò)程和Vericut軟件仿真加工過(guò)程。提出了“3+2”定軸方式“偏置區(qū)域清除模型”加工策略進(jìn)行開粗，提高了加工效率，選用曲面投影精加工方式對(duì)零件進(jìn)行半精加工和精加工，保證零件加工精度。經(jīng)Vericut仿真加工和實(shí)際切削驗(yàn)證，加工刀路是合理可行的，在零件的刀具路徑設(shè)置過(guò)程中，通過(guò)將工作臺(tái)傾斜使主軸與工件成一夾角，解決了在加工中主軸與夾具或工作臺(tái)的干涉問(wèn)題，同時(shí)還可以縮短刀具伸出長(zhǎng)度，以提高刀具的剛性、提高加工精度及效率。

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