Pro/E在復(fù)雜曲面文字雕刻加工中的應(yīng)用

田美霞，顧麗敏

(浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018)

當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，與制造業(yè)密切相關(guān)的航空航天、模具、汽車等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品呈現(xiàn)多元化、復(fù)雜化和批量化，產(chǎn)品更新速度也加快，為在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷地設(shè)計(jì)創(chuàng)新，改善加工工藝，采用先進(jìn)的加工手段。

在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品加工的很多場(chǎng)合，都需要在復(fù)雜曲面零件的表面上雕刻文字、圖像及溝槽類裝飾特征等來(lái)顯示工業(yè)產(chǎn)品的某種功效或者提高工業(yè)產(chǎn)品外在美觀度，復(fù)雜曲面零件的雕刻加工已是機(jī)械制造行業(yè)常遇到的難題。

目前，市面上復(fù)雜曲面零件的雕刻加工大都采用專用CNC雕刻機(jī)和配套的專用雕刻軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。CNC雕刻機(jī)雖然擅長(zhǎng)雕刻加工，但是它只能做輕切削加工，雕刻加工的刀具也具有特殊性，無(wú)法加工硬度大的材料，這就造成了加工設(shè)備和產(chǎn)品的局限性。近年來(lái)，多軸數(shù)控加工中心得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，多軸加工使原本復(fù)雜零件的加工變得容易了許多。Pro/E有強(qiáng)大的實(shí)體造型功能和快捷高效的自動(dòng)編程優(yōu)勢(shì)，使復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)單化，擴(kuò)大了數(shù)控加工設(shè)備在復(fù)雜曲面加工中的應(yīng)用范圍，深受廣大制造企業(yè)的歡迎。因此，利用多軸數(shù)控加工中心結(jié)合Pro/E來(lái)進(jìn)行復(fù)雜曲面的文字雕刻，將提高復(fù)雜曲面零件表面的加工質(zhì)量和加工精度，同時(shí)也拓展了數(shù)控加工中心的產(chǎn)品加工范圍，縮短了加工周期，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益。

作者探討了用Pro/E軟件完成復(fù)雜曲面及圖形文字的建模和加工仿真，并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析和安排了曲面文字雕刻的數(shù)控加工工藝，具體分析了曲面文字建模和雕刻加工的難點(diǎn)及要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合FANUC 5軸數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)了曲面文字的雕刻。

1 復(fù)雜曲面文字雕刻手工編程難點(diǎn)

復(fù)雜曲面往往無(wú)法用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，只有許多光滑連接的離散點(diǎn)的標(biāo)注圖紙，因此，復(fù)雜曲面文字雕刻靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作或手工編程來(lái)實(shí)現(xiàn)難度大、效率低，產(chǎn)品質(zhì)量和精度無(wú)法保證，無(wú)法滿足客戶的需求和批量生產(chǎn)。

2 Pro/E自動(dòng)編程流程與關(guān)鍵問(wèn)題

自動(dòng)編程是從零件設(shè)計(jì)模型獲得數(shù)控加工程序的全部過(guò)程，尤其適用于具有非圓曲線、列表曲面和組合曲面等形狀復(fù)雜的零件。Pro/E數(shù)控模塊提供了多種加工類型，用于復(fù)雜形狀零件的粗加工和精加工，采用Pro/E自動(dòng)編程能很好地解決復(fù)雜曲面文字雕刻的問(wèn)題。

Pro/E能模擬數(shù)控加工的全過(guò)程，其加工流程依次為:創(chuàng)建CAD模型;分析圖樣和安排加工工藝;建立制造模型和制造數(shù)據(jù)庫(kù);設(shè)置加工方法，定義NC工序;演示刀具軌跡與加工仿真;利用后處理器生成NC代碼，最后驅(qū)動(dòng)機(jī)床。

在使用Pro/E進(jìn)行自動(dòng)編程時(shí)，需要注意以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)正確地創(chuàng)建零件模型實(shí)體造型是自動(dòng)編程首先需要完成的基本環(huán)節(jié)，是影響自動(dòng)編程成敗的基本因素;(2)材料、刀具、機(jī)床等工藝參數(shù)的設(shè)置是影響自動(dòng)編程的關(guān)鍵問(wèn)題。編程人員需結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，參考機(jī)床說(shuō)明書(shū)和工藝手冊(cè)來(lái)合理設(shè)定包括主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、背吃刀量等切削用量，否則難以在實(shí)際的生產(chǎn)中保證加工零件的質(zhì)量，無(wú)法兼顧切削效率和零件加工成本，甚至?xí)p壞刀具或機(jī)床，造成嚴(yán)重加工事故。

3 零件建模與加工

正確合理地創(chuàng)建零件CAD模型是生產(chǎn)合格零件的保證，在建模前，應(yīng)先確定零件的主要特征，同時(shí)確定建立特征的先后順序。

為了實(shí)現(xiàn)曲面文字的雕刻加工，需要在零件曲面上創(chuàng)建雕刻的文字圖形。在Pro/E自動(dòng)編程中，雕刻加工也稱為刻模加工，主要是對(duì)凹槽修飾特征進(jìn)行加工，刀具沿著凹槽修飾特征運(yùn)動(dòng)。具體操作如下:首先在Pro/E軟件中零件模塊下利用造型工具命令創(chuàng)建出空間自由曲面，再利用拉伸操作命令得到曲面零件模型，如圖1所示;接著在零件模型的曲面上創(chuàng)建文字特征，即在曲面上添加修飾特征，以圖1所示零件模型的底面為參考平面，新添加一個(gè)投影平面;在主菜單中依次選擇“插入”/“修飾”/“凹槽”，在彈出的“特征參考”菜單項(xiàng)中，選擇需要雕刻加工的曲面作為參照，選擇剛才建立的投影平面作為草繪平面，單擊工具欄“文字”圖標(biāo)，輸入文字“機(jī)床與液壓1973”并選擇字體、大小和方向，調(diào)整文字的位置，完成建立凹槽修飾特征。曲面文字雕刻的設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

圖1 曲面零件模型

圖2 曲面文字雕刻模型

4 基于Pro/E的曲面文字雕刻加工

4.1 工件分析與工藝安排

(1)零件分析

該零件模型的上表面由一定斜度的不規(guī)則曲面和凹槽組成，其他底面均為平面。毛坯材料為45號(hào)鋼，形狀為100 mm×100 mm×40mm的平整長(zhǎng)方體，六面平整。加工時(shí)，需對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行粗加工和精加工，對(duì)文字即凹槽部分進(jìn)行雕刻加工。

(2)工件安裝

將底面固定安裝在機(jī)床上，一次裝夾，完成全部工序的加工。

(3)數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，以粗、精加工分開(kāi)，先粗后精的原則來(lái)劃分工序。該零件模型的數(shù)控加工分為曲面的粗加工、曲面的精加工、文字雕刻加工。曲面的粗加工采用切削類型為直線切割的曲面銑削加工方法來(lái)去除大部分零件加工余量。曲面的精加工采用切削類型為自由面等值線的曲面銑削加工方法來(lái)形成曲面零件的最終尺寸。曲面上的文字雕刻采用5軸雕刻的加工方法。數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)

(4)刀具選擇和切削參數(shù)設(shè)置

正確地選擇加工刀具，合理地設(shè)置切削用量能提高數(shù)控機(jī)床的加工效率和加工質(zhì)量，可以大大降低整個(gè)加工成本。在保證不過(guò)切的情況下，為減少換刀次數(shù)、提高加工效率，無(wú)論是粗銑曲面還是精銑曲面，都選用同一把硬質(zhì)合金立銑刀。在文字雕刻加工時(shí)，刀具沿著凹槽修飾特征運(yùn)動(dòng)，刀具直徑?jīng)Q定了切削的寬度，雕刻的深度由參數(shù)GROOVE_DEPTH控制，選用刀具半徑不宜過(guò)大的平底立銑刀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和曲面文字雕刻零件特點(diǎn)，數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)設(shè)置如下表2所示。

表2 數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)

4.2 建立制造模型和制造數(shù)據(jù)庫(kù)

在進(jìn)行Pro/E自動(dòng)編程的各項(xiàng)規(guī)劃前，必須先建立制造模型和創(chuàng)建制造數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包括機(jī)床、刀具、夾具配置、刀具表等項(xiàng)目。具體操作步驟如下:(1)引入?yún)⒄漳Ｐ?。選擇下拉菜單“插入”/“參照模型”/“裝配”，系統(tǒng)彈出“打開(kāi)”對(duì)話框，選取圖2所示零件模型，在彈出的文件放置菜單中，選擇“缺省”放置以待加工;(2)創(chuàng)建工件。選擇下拉菜單“插入”/“工件”/“自動(dòng)工件”，單擊操控板“選項(xiàng)”按鈕，在“Y整體”中輸入40，完成工件的創(chuàng)建;(3)制造設(shè)置。選擇下拉菜單“步驟”/“操作”，在系統(tǒng)彈出的“操作設(shè)置”對(duì)話框中選擇5軸銑削，完成機(jī)床設(shè)置，在“參照”選項(xiàng)組設(shè)置根據(jù)提示創(chuàng)建制造坐標(biāo)系A(chǔ)CS1，在“退刀”選項(xiàng)組，選擇制造坐標(biāo)系A(chǔ)CS1為參照，輸入偏移值10，完成退刀平面的創(chuàng)建。

4.3 加工方法設(shè)置和刀具軌跡演示

根據(jù)表1所示的曲面文字雕刻加工工藝路線設(shè)計(jì)和表2所示數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)加工方法的參數(shù)設(shè)置。

具體操作步驟如下:

(1)粗銑曲面和精銑曲面。選擇下拉菜單“步驟”/“曲面銑削”命令，打開(kāi)“序列設(shè)置”菜單，依次選擇“刀具”、“參數(shù)”、“曲面”、“定義切削”復(fù)選框，單擊“完成”。在系統(tǒng)彈出的“刀具設(shè)定”對(duì)話框和“曲面銑削”對(duì)話框中設(shè)置刀具參數(shù)和基本加工參數(shù)。在系統(tǒng)彈出的“曲面拾取”菜單中，選取要加工的曲面，建立NC序列1曲面銑削。曲面的精加工與粗加工的大部分操作類似，只需修改一些參數(shù)，如定義切削方式、基本加工參數(shù)等來(lái)建立NC序列2曲面銑削。在菜單管理器中“NC序列”菜單中，選擇“播放路徑”/“屏幕演示”，演示刀具軌跡如圖3所示。

圖3 曲面的精加工刀具軌跡

(2)文字雕刻。選擇下拉菜單“步驟”/“雕刻”命令，系統(tǒng)彈出“加工軸”菜單，選擇“5軸”。接著在系統(tǒng)彈出的“序列設(shè)置”菜單中選擇“刀具”、 “參數(shù)”、 “槽特征”復(fù)選框，單擊“完成”。在系統(tǒng)彈出的“刀具設(shè)定”對(duì)話框和“開(kāi)槽”對(duì)話框中，設(shè)置刀具參數(shù)和基本加工參數(shù)。在系統(tǒng)彈出的“選取 GRVS”菜單中，選取“機(jī)床與液壓”特征，建立NC序列3開(kāi)槽。演示刀具軌跡如圖4所示，查看生成CL數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 曲面文字雕刻的刀具軌跡

圖5 查看CL數(shù)據(jù)

4.4 三維切削仿真檢查及G代碼生成

圖6 曲面粗加工仿真

為了驗(yàn)證Pro/E軟件所生成的刀具軌跡路線的合理性，必須對(duì)生成的曲面文字雕刻加工的刀具軌跡路線進(jìn)行三維切削仿真檢查。利用Pro/E提供的零件加工模擬功能，能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行工件材料去除的動(dòng)態(tài)模擬、觀察切削加工的全過(guò)程、檢測(cè)工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理。具體操作如下:在菜單管理器中“NC序列”菜單中，選擇“播放路徑”/“NC檢查”，觀察刀具切割工件的運(yùn)動(dòng)情況。如圖6所示為在曲面粗加工動(dòng)態(tài)仿真圖。

三維切削模擬仿真校驗(yàn)無(wú)誤后，設(shè)置相應(yīng)后處理參數(shù)，生成數(shù)控機(jī)床可以識(shí)別的G代碼文件，用記事本方式打開(kāi)，稍做修改，將生成的粗加工、精加工、文字雕刻的NC代碼依次輸入到FANUC五軸數(shù)控加工中心機(jī)床。為確保安全，在加工中心加工前先進(jìn)行試切加工，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。確定無(wú)誤后，最后進(jìn)行數(shù)控加工。

與普通雕刻機(jī)加工比對(duì)顯示:采用Pro/E的曲面文字雕刻加工效果好，加工表面質(zhì)量高，文字雕刻精度高。

5 結(jié)論

以一個(gè)復(fù)雜曲面文字雕刻為例，利用Pro/E軟件進(jìn)行建模和數(shù)控加工仿真，并在FANUC五軸數(shù)控加工中心機(jī)床上加工得到實(shí)體零件，提高了曲面文字雕刻的加工精度和加工質(zhì)量。在曲面文字雕刻加工中，采用了靈活實(shí)用的編程方案和可靠有效的數(shù)控加工工藝，從而保證零件加工質(zhì)量和加工效率，拓展了數(shù)控加工中心的產(chǎn)品加工范圍，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平得以提高。Pro/E軟件解決了許多手工無(wú)法完成的復(fù)雜曲面零件程序的編制問(wèn)題，縮短了零件的設(shè)計(jì)和加工制造周期，提高了零件的設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。但如何對(duì)Pro/E軟件產(chǎn)生的G代碼指令進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省加工時(shí)間，提高加工效率，還有待于進(jìn)一步研究。

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