人頭模型五軸精雕加工

暢美妮

摘 要： 本文通過(guò)對(duì)人頭模型進(jìn)行五軸精雕技術(shù)加工工藝分析，通過(guò)分層粗加工、曲面投影精加工、平行截線精加工等多軸數(shù)控加工工藝的選擇，論述如何通過(guò)五軸精雕技術(shù)對(duì)無(wú)規(guī)則的復(fù)雜曲面進(jìn)行高速、精密的加工，從而有效保證人頭模型的加工精度、提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 人頭模型；五軸精雕；加工工藝

前言

在機(jī)械加工中，往往會(huì)碰到由無(wú)規(guī)則變化的自由曲面構(gòu)成的復(fù)合體零件。以人頭模型為例，其曲率變化沒(méi)有規(guī)律，形狀構(gòu)造也沒(méi)有基準(zhǔn)，使用三軸數(shù)控機(jī)床根本無(wú)法進(jìn)行加工，必需采用高精度的五軸數(shù)控機(jī)床精雕加工。常用的UG、PowerMill、JDSoft SurfMill等軟件都具備多軸加工能力。本文使用JDSoft SurfMill軟件，論述人頭模型的五軸精雕加工工藝及加工策略。

1.人頭模型分析

如圖1所示，人頭模型屬于曲面無(wú)規(guī)則，形狀特殊，造型復(fù)雜的產(chǎn)品。零件模胚是底面直徑32mm的圓柱體，材料為ABS。產(chǎn)品加工要求表面光滑，無(wú)銜接痕。其加工工藝分析如下：

a）沒(méi)有規(guī)則的平面，傳統(tǒng)的加工方法無(wú)法滿足要求。

b）造型復(fù)雜，曲面的曲率變化隨意，增加刀具路徑的難度。

c）頭發(fā)紋路細(xì)小，凹凸不平，曲面投影加工差異大。

d）擁有眾多主要負(fù)角面區(qū)域，如圖2所示，較難加工。

2.工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)直接影響加工效果和加工效率。根據(jù)人頭模型的形狀特點(diǎn)，制定合理的加工工藝是五軸精雕加工的關(guān)鍵。首先根據(jù)產(chǎn)品的材料與加工難易，考慮選取合適的加工方式及加工刀具，其次在保證質(zhì)量的前提下，優(yōu)化加工工藝。具體分析如下：

2.1選用粗加工刀路分接面

粗加工時(shí)，為了提高加工效率，在滿足加工要求的前提下，盡可能采用較少的軸數(shù)加工，因此決定毛坯開(kāi)粗時(shí)采用3+2定位加工及軸向走刀方式，使開(kāi)粗殘料均勻，加工效率與三軸開(kāi)粗基本相當(dāng)。

粗加工刀路分接面的選擇應(yīng)避免在人臉的表面上，盡可能選擇在不影響外觀、質(zhì)量和精度的曲面上。基于以上原則，人頭模型的刀路分接面應(yīng)避開(kāi)人臉，選取以左右耳朵為中心平面作為刀路的分接面，如圖3所示。

2.2選擇分層粗加工

根據(jù)人頭模型曲面?zhèn)缺谟卸盖停庸ず穸却蟮奶攸c(diǎn)，采用分層粗加工方式進(jìn)行粗加工，以確保大量去除材料的同時(shí)提高加工效率和切削的平穩(wěn)性[1]，分層粗加工以粗加工刀路分接面為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人頭模型前后兩部分分層粗加工路徑，如圖4所示。

2.3應(yīng)用曲面投影精加工

人頭模型頭發(fā)紋路細(xì)小，曲率變化隨意，除頭頂紋路有同向性外，其它曲面都較復(fù)雜且變化多，又由于表面粗糙度要求高，無(wú)刀紋銜接痕，因此，人頭模型頭頂下的四周輪廓面的加工選用曲面投影精加工方法，用曲面法向進(jìn)行投影，并依據(jù)導(dǎo)動(dòng)面的流線生成初始路徑，再按照投影方向在加工面上生成多軸聯(lián)動(dòng)的精加工路徑[2]，以確保加工曲面光滑過(guò)渡，增加曲面、側(cè)壁的加工質(zhì)量和加工流暢性，曲面投影精加工路徑如圖5所示。

2.4采取平行截線精加工

根據(jù)人頭模型頭頂輪廓面的形狀特點(diǎn)，采取平行截線精加工方式既能減少控制軸的大幅擺動(dòng)，提高加工效率，又可以簡(jiǎn)化刀具路徑的生成，比曲面投影精加工方式更具有優(yōu)勢(shì)。因此，優(yōu)化加工思路，人頭模型頭頂下的四周輪廓面采用曲面投影精加工方式，而頭頂則采用平行截線精加工方式，如圖6所示。

2.5加工刀具的選用

人頭模型采用ABS材料，其所需的切削力小，切削熱少，切削熱量主要由切削碎屑傳出。但由于ABS的熱導(dǎo)率低，熔點(diǎn)也低，積聚的熱量不易傳導(dǎo)，容易致使切削區(qū)的塑料變軟，使加工表面出現(xiàn)涂抹現(xiàn)象。因此，加工刀具要盡量鋒利，排屑順暢。在分層粗加工時(shí)，考慮到排屑順暢及加工的高效性，選用螺紋槽銑刀φ3.175；在曲面投影精加工和平行截線精加工時(shí)，為增加曲面加工的精細(xì)度，增強(qiáng)人頭模型輪廊的表現(xiàn)細(xì)膩性，均選用球頭刀D4R0.5mm。

3.加工策略

3.1分層粗加工

機(jī)床配置中，機(jī)床類型的正確配置是機(jī)床模擬、路徑加工時(shí)間計(jì)算和準(zhǔn)確輸出多軸路徑的關(guān)鍵。在分層粗加工機(jī)床設(shè)置中，定義A軸正向旋轉(zhuǎn)90°，C軸在0°和180°相互轉(zhuǎn)換，以便在開(kāi)粗時(shí)C軸能對(duì)人頭模型前后部分快捷轉(zhuǎn)換，提高加工效率。

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，毛坯設(shè)置加工材料為直徑32mm的ABS圓柱，旋轉(zhuǎn)軸為Z軸。以刀路分接面為對(duì)稱中心平面，設(shè)置毛坯形狀和導(dǎo)動(dòng)面共同限定加工域，生成多軸聯(lián)動(dòng)的分層粗加工路徑[3]。并在分層開(kāi)粗時(shí)，采用分層環(huán)切走刀，使刀路圓滑過(guò)渡，減少精加工時(shí)的去除余量。根據(jù)ABS材料特性，開(kāi)粗時(shí)應(yīng)高轉(zhuǎn)速、大走刀，選用螺紋槽銑刀φ3.175 mm，設(shè)定補(bǔ)償余量為0.2 mm，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min，進(jìn)給量5mm/s。使用分層方式為限定深度0.1mm，采取螺旋下刀方式，選擇從毛坯外部下刀，設(shè)置的路徑間距為2mm（≥刀具直徑的50%）。在參數(shù)設(shè)置中要選中‘環(huán)切并清角、‘ 光滑路徑選項(xiàng)，以避免因加工路徑間距過(guò)大而留下殘料，光滑路徑是為了提高了加工的流暢性。為了保證人頭模型前后加工路徑之間銜接的順利，深度范圍參數(shù)的底面高度應(yīng)設(shè)置-0.5 mm，以保證前后加工清除余料到位，生成前部分和后部分分層粗加工路徑如圖4所示。將前后部分分層粗加工路徑分別進(jìn)行加工過(guò)程實(shí)體模擬、機(jī)床模擬、路徑過(guò)切檢查和刀柄碰撞檢查，在保證路徑的準(zhǔn)確性和機(jī)床的安全性后，輸出粗加工文件。

3.2曲面投影精加工

在分層粗加工的基礎(chǔ)上，通過(guò)曲面投影精加工方式對(duì)工件表面的余量進(jìn)行精密處理，提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量及表面粗糙度。

采取曲面投影精加工對(duì)人頭模型臉面四周進(jìn)行加工，依據(jù)人頭模型曲面特點(diǎn)，在人頭模型臉面四周繪制導(dǎo)動(dòng)面，如圖7所示。根據(jù)導(dǎo)動(dòng)面的U流線方向生成初始投影路徑，利用輔助導(dǎo)動(dòng)面和刀軸控制方式將初始路徑投影到加工面生成加工路徑[4]。在刀具設(shè)置中，選擇球頭刀D4R0.5，主軸轉(zhuǎn)速11000r/min，進(jìn)給速度2mm/s，路徑間距0.05mm。

將人頭模型頭頂下的四周曲面選為加工面，將準(zhǔn)備工作中在頸下繪制的保護(hù)面選為保護(hù)面，將導(dǎo)動(dòng)面選擇到輔助加工域中，并在刀具路徑參數(shù)中進(jìn)行曲面投影加工的相關(guān)參數(shù)設(shè)置。選取‘螺旋走刀方式和曲面‘法向投影方向，在刀軸方向參數(shù)設(shè)置中，定義刀軸控制方式為與指定旋轉(zhuǎn)軸Z成70°傾斜角。

同理，刀具路徑參數(shù)設(shè)置完畢，生成曲面投影精加工刀具路徑，如圖5所示。將加工路徑分別進(jìn)行加工過(guò)程實(shí)體模擬、機(jī)床模擬、路徑過(guò)切檢查和刀柄碰撞檢查，保證路徑準(zhǔn)確與機(jī)床安全后輸出精加工文件。

3.3平行截線精加工

平行截線精加工特別適用于曲面較復(fù)雜但陡峭面不多的場(chǎng)合，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，人頭模型頭頂滿足平行截線精加工方式的加工需求。在刀具路徑參數(shù)中設(shè)置平行截線精加工路徑間距0.2mm，應(yīng)用‘切向進(jìn)刀方式和‘往復(fù)走刀，修邊量在0.03mm，選擇球頭刀D4R0.5，主軸轉(zhuǎn)速9000r/min，進(jìn)給速度2.4mm/s。

同理，刀具路徑參數(shù)設(shè)置完畢，生成平行截線精加工刀具路徑，如圖6所示。將加工路徑分別進(jìn)行加工過(guò)程實(shí)體模擬、機(jī)床模擬、路徑過(guò)切檢查和刀柄碰撞檢查，無(wú)誤后輸出精加工文件。

需要注意的是在人頭模型頭頂生成平行截線精加工刀具路徑參數(shù)設(shè)置中，為了保證人頭模型臉面四周的曲面投影精加工路徑與頭頂?shù)钠叫薪鼐€精加工路徑之間順利銜接，設(shè)置平行截線精加工刀具路徑與曲面投影精加工路徑有小部分重疊，如圖8所示，這樣能有效提高曲面加工質(zhì)量，避免兩種刀具路徑在人頭模型加工中產(chǎn)生刀浪缺陷。

3.4加工流程及重要參數(shù)

根據(jù)以上工藝與策略分析，制定的加工流程及部分重要參數(shù)如下：

4.五軸精雕加工

依據(jù)工藝設(shè)計(jì)、加工策略指導(dǎo)，采用500DRT型號(hào)機(jī)床進(jìn)行五軸精雕加工。在機(jī)床中打開(kāi)精雕控制軟件，調(diào)入分層粗加工四軸路徑文件，選擇螺紋槽銑刀φ3.175mm加工的路徑，裝上螺紋槽銑刀φ3.175mm進(jìn)行定義對(duì)刀基準(zhǔn)。對(duì)工件進(jìn)行分中操作，定義工件原點(diǎn)中的X，Y，Z值，按F5轉(zhuǎn)換多軸路徑[5]。檢查設(shè)置的定位高度、慢下速度、慢下距離等安全參數(shù)。在對(duì)刀過(guò)程中，確保準(zhǔn)確性，以減少分層粗加工前后部分引起的刀路對(duì)接偏差大，錯(cuò)位大，銜接不順暢等缺陷。

打開(kāi)試切模式，并開(kāi)啟正壓密封，給轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)試切加工，通過(guò)試切加工，進(jìn)一步確認(rèn)刀具路徑的可行性，檢驗(yàn)加工的安全性和刀具的干涉性。確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題后暫停，取消試切模式，正式啟動(dòng)正常加工。

前后兩部分層粗加工完成后，暫停機(jī)床，更換球頭刀D4R0.5，調(diào)入曲面投影精加工五軸路徑文件，同理，按上述操作方法對(duì)工件進(jìn)行對(duì)刀、定義坐標(biāo)，并進(jìn)行試切運(yùn)行，再進(jìn)行正常加工，如圖9所示。

同理，曲面投影精加工完成后，直接調(diào)用平行截線精加工五軸路徑文件，由于使用相同的刀具，故不用對(duì)刀和定義刀具，直接打開(kāi)試切運(yùn)行，再進(jìn)行正常加工。

5.小結(jié)

在人頭模型五軸精雕加工時(shí)，設(shè)計(jì)分層粗加工、曲面投影精加工和平行截線精加工等合理工藝，采用高速、精密五軸數(shù)控加工手段，有效地保證人頭模型的加工精度，提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量，加工好的人頭模型如圖10所示。

在人頭模型加工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）分層粗加工的底面高度一定要設(shè)置負(fù)值，確保余料清除干凈。

（2）曲面投影精加工的導(dǎo)動(dòng)面繪制應(yīng)包裹住人頭模型臉面四周的所有輪廓，以保證生成正確的曲面投影精加工刀具路徑。

（3）正式加工之前一定要進(jìn)行試切加工，確保正常加工的安全。

參考文獻(xiàn)

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