“車模”零件五軸數(shù)控加工刀軌研究

張亞彪+曹著明

摘 要：介紹了多軸加工CAD/CAM軟件—PowerMILL及目前先進(jìn)制造技術(shù)，并分析了整體五軸零件“車?！钡墓に嚰夹g(shù)；介紹了應(yīng)用PowerMILL軟件對(duì)“車?！闭w零件進(jìn)行刀具路徑參數(shù)化設(shè)置的相關(guān)流程，重點(diǎn)介紹了粗加工刀具路徑3D區(qū)域清除中的子程序——“模型區(qū)域清除”加工策略的參數(shù)化設(shè)置方法。在零件的刀具路徑設(shè)置過程中，依靠加工時(shí)主軸的旋轉(zhuǎn)巧妙的解決了機(jī)床主軸頭與夾具的干涉碰撞問題，縮短了刀具長度，增加了加工的效率及加工精度。

關(guān)鍵詞：多軸加工；powerMILL；五軸部件；刀路設(shè)置；加工工藝

0 引言

當(dāng)今正朝著復(fù)合，高速，柔性，高精和多功能方向發(fā)展的多軸數(shù)控加工技術(shù)蓬勃發(fā)展，努力實(shí)現(xiàn)著高效率，高品質(zhì)的目標(biāo)。但是相較于發(fā)達(dá)國家的我國，多軸數(shù)控加工技術(shù)研究起步較晚，與之智能制造技術(shù)水平還存在很大的差距，多軸數(shù)控加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、軸頭、電動(dòng)機(jī)等主要零部件任然都依賴于進(jìn)口。因此多軸加工機(jī)床的價(jià)格久居不下。

1 CAM軟件——PowerMILL

在多軸零部件加工制造的過程中，除去少數(shù)簡單的結(jié)構(gòu)件可以采用手工編程外，其余絕大部分都需要借助計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（CAM軟件）來計(jì)算加工程序的加工刀路，因此CAD/CAM軟件在加工中起著至關(guān)重要的作用。目前，最具有代表性的CAM軟件是由世界著名學(xué)府劍橋大學(xué)研發(fā)并由英國Delcam公司推出的PowerMILL軟件，它是集2～5軸的高速銑削加工CAM系統(tǒng)，與同類的CAM系統(tǒng)相比，powerMILL系統(tǒng)在應(yīng)用于多軸加工編程方面具有五軸加工刀路計(jì)算策略豐富，粗、精加工策略總計(jì)達(dá)到了30多種；多軸加工刀路編輯功能強(qiáng)大，可對(duì)計(jì)算出來的刀路進(jìn)行直觀，靈活和有效的編輯和優(yōu)化；實(shí)現(xiàn)了多軸機(jī)床全面的碰撞檢查和機(jī)床的仿真切削以及刀具自動(dòng)避讓碰撞的功能；此外，該軟件操作簡單，易學(xué)易用，多軸刀路計(jì)算速度快；交互式刀軸指向控制和編輯功能，由三軸加工刀路自動(dòng)產(chǎn)生五軸的加工刀路；該系統(tǒng)直接對(duì)STL格式模型數(shù)據(jù)進(jìn)行五軸加工和多種模型格式輸入與輸出，具有管道加工專用功能和葉輪、葉片和螺旋槳加工的專用功能，自動(dòng)生成五軸聯(lián)動(dòng)粗、精加工的刀具路徑，用戶只需進(jìn)行簡單的設(shè)置即可生成高效，精準(zhǔn)，無過切和無碰撞的葉片、葉輪和螺旋槳等零件的加工刀路。DelcamPowerMILL軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、制鞋快速原型、家用電器、汽車、輕工產(chǎn)品和模具制造等行業(yè)。目前選用了DelcamPowerMILL作為主要產(chǎn)品和模具加工軟件的國內(nèi)企業(yè)如：哈飛集團(tuán)、一汽集團(tuán)、上海大眾、格力電器等；國外企業(yè)如Boeing、Canon、Mercedes Benz、Toyota、Volkswagen等。

2 “車?！绷慵に嚬ぱb分析

車模整體模型的外表面由大量的曲面和某些特定的不規(guī)則曲面組成，因此就需用五軸機(jī)床加工完成，在本例中，車模的比例為1：5，最大的外形尺寸是907mm*340mm*250mm，所以直接使用長方體毛坯。為保證加工余量及裝夾，設(shè)定毛坯尺寸為：930mm*350mm*260mm，材料為鋁合金。采用壓板加工藝夾具的裝夾方案，如圖1所示。并采用125mm長的d25r6刀尖圓角端銑刀、125mm長的d25r12.5球頭銑刀及長度為50mm的d10r5球頭銑刀來完成車模的粗加工、精加工和清角精加工。

“車模”的加工采用PowerMILL軟件進(jìn)行加工和刀具路徑設(shè)計(jì)，使用DMU60MONOBLOCK多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。但是由于車模整體零件表面粗糙度要求高，所以對(duì)該零件采取粗加工、精加工、清角的工藝流程；同時(shí)為避免在加工過程中機(jī)床主軸頭與工作臺(tái)發(fā)生干涉，以及滿足在固定區(qū)域加工的條件和滿足安全生產(chǎn)，安全操作的前提，采取了“刀軸界限”措施，保證了其安全高效的加工制造。其加工流程見和加工刀路見下表1。車模整體加工刀路見圖2。

3“車?！绷慵旨庸げ呗栽O(shè)置

3.1 新建用戶坐標(biāo)系

車模的粗加工采用“模型區(qū)域清除”的加工策略，分別對(duì)長方體毛坯的頂部、左右及前后兩端進(jìn)行粗加工，在策略設(shè)置過程中需新建加工坐標(biāo)系，并將其命名為用戶坐標(biāo)系1。如圖2（a）中紅色坐標(biāo)系所示，因在加工過程中須始終保持用戶和坐標(biāo)系的Z軸（即刀軸矢量）指向被加工側(cè)面，所以依次原理，建立前后兩面及右面與頂面的用戶坐標(biāo)系，并依次命名為用戶坐標(biāo)系2，3，4，5。

3.2 新建刀具

在資源管理器中，選擇刀具—右鍵—產(chǎn)生刀具—刀尖圓角端銑刀，在刀具設(shè)置對(duì)話框中完成“d25r6”刀具的設(shè)置，根據(jù)實(shí)際情況添加夾持后，設(shè)置刀具顯示為陰影。

3.3 新建輔助平面

在車模頂部、前后面及側(cè)型面加工時(shí)，因受限于刀具的懸伸長度，不能直接加工的車模的底部，及相對(duì)防止碰撞和過切的安全加工位置，因此需要輸入輔助面來限制粗加工Z方向的切削深度。輔助的補(bǔ)面可用任何CAD軟件，powerShape、Core 、Catia、NX、Solidworks等設(shè)計(jì)出來后直接輸入到powerMILL系統(tǒng)中即可。如圖3（a）所示。

3.4 勾畫限制邊界

為了可以有效的減少機(jī)床的控行程，在進(jìn)行整車模型粗加工頂部、側(cè)圍時(shí)，會(huì)將車模側(cè)圍局部進(jìn)行了粗加工，因此需要勾畫側(cè)圍粗加工邊界，來限制該側(cè)面粗加工的范圍。也是決定該車模整體加工成敗的關(guān)鍵所在，這一決定性的參數(shù)化設(shè)置可在查看工具欄中完成，具體操作步驟是單擊從上查看按鈕，須將車模擺成與屏幕平行的位置，在powerMILL資源管理器中，右擊“邊界”樹枝，在彈出的邊界快捷菜單條中單擊“定義邊界”—“用戶定義”對(duì)話框，并打開“用戶定義”對(duì)話框，單擊勾畫按鈕，打開曲線編輯器工具欄，然后單擊該工具欄中的勾畫連續(xù)直線按鈕，并在需要限界的區(qū)域勾畫出邊界線，通常以需要加工的區(qū)域大小為宜，過大則加工時(shí)間長，過小則加工區(qū)域不全面。如圖3（b）所示。以頂部粗加工為例，設(shè)置并計(jì)算頂部粗加工刀路：在powerMILL綜合工具欄中，單擊刀具路徑策略的按鈕，并打開“策略選取器”對(duì)話框，在“三D區(qū)域清除”的選項(xiàng)工具欄中，選擇“模型區(qū)域清除”，并打開“模型區(qū)域清除”的參數(shù)設(shè)置表格，激活“坐標(biāo)系1 "，在彈出的“模型區(qū)域清除”對(duì)話框中輸入刀具路徑名稱為：d25r6—dmcjg；選擇坐標(biāo)系為：坐標(biāo)系1 ；刀具為：d25r6；在“模型區(qū)域清除”選項(xiàng)框中選擇偏置全部，輪廓：順銑，區(qū)域：順銑，公差：0.2，余量：1.0，行距：15，下切步距：自動(dòng)（1）；在“刀軸”選項(xiàng)框中選擇：垂直；在“快進(jìn)高度”選項(xiàng)框中選擇安全區(qū)域：平面，用戶坐標(biāo)系：坐標(biāo)系1，法線：0，0，1，安全Z高度：93.78882，開始Z高度：83.78882，快進(jìn)間距：10，下切間距：5，設(shè)置完后選擇“計(jì)算”；完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

4 小結(jié)

本文較為詳細(xì)的介紹了當(dāng)今先進(jìn)的制造技術(shù)——多軸加工技術(shù)及其在未來多軸加工中的應(yīng)用發(fā)展方向，同時(shí)也介紹了PowerMILL軟件不同的特點(diǎn)、功能及車模整體零件加工的工藝與裝夾，并且著重的介紹了車模整體零件的粗加工，3D模型區(qū)域清除中的“模型區(qū)域清除”這一子程序中刀具路徑設(shè)置流程及在加工程序中需要做前期準(zhǔn)備的難點(diǎn)工作及注意事項(xiàng)。并經(jīng)驗(yàn)證其加工刀具路徑的安全性和可行性，用PowerMILL軟件能設(shè)置出車模整體零件的加工刀路，并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成車模各個(gè)斜面部位的加工，大大提高加工效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 許振珊，李陸星. 基于PowerMILL的煙灰缸數(shù)控編程與加工[J]. 中國教育技術(shù)裝備，2015（14）：50-52.

[2] 曹著明，馬永旺. 基于PowerMILL的五軸零件刀路設(shè)置[J]. 機(jī)床與液壓，2014（4）：13-16

[3] 王利全. 基于PowerMILL軟件的粗加工策略設(shè)置技巧[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2014（19）：91.

[4] 劉學(xué)航，廖璘志. 基于Powermill的大力神杯零件數(shù)控編程與仿真[J]. 機(jī)械工程師，2015（7）：22-25.

[5] 婁婷. 淺析POWERMILL軟件在模具加工中的優(yōu)勢[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2012（26）：65-67.

[6] 朱克憶Powermill多軸數(shù)控加工編程實(shí)例與技巧[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[7] 王如軍. PowerMILL軟件在五軸數(shù)控編程中的應(yīng)用[A]. .中國職協(xié)2013年度優(yōu)秀科研成果獲獎(jiǎng) 論文集（下冊）[C].2013：7.

[8] 劉學(xué)航，廖璘志. 基于Powermill的大力神杯零件數(shù)控編程與仿真[J]. 機(jī)械工程師，2015（7）：22-25.endprint