維納斯模型五軸加工模擬仿真與實驗研究

何新勇 阮育煌

（東莞理工學院城市學院 智能制造學院，廣東 東莞523419）

五軸聯(lián)動機床具有高效率、高精度、可加工復雜曲面的特點而得到廣泛的應用。在降低加工步驟的同時，也提高了零部件加工的精度。利用RTCP 功能自動計算并增加刀具有效切削刃的長度，從而在加工時減小切削力，提高刀具使用壽命。本文基于powmill 設計了維納斯工藝品在五軸數(shù)控機床上的加工工藝及加工方法，希望能為企業(yè)生產提供借鑒。

1 維納斯模型的結構分析

加工方法和加工工藝的選擇和加工效果有很大的關系，也能更好更好的發(fā)揮五軸機床加工優(yōu)勢。維納斯模型復雜，通過分析模型大致加工分為頭部、頸部、身體部分，以粗銑表面輪廓時需要走的刀具軌跡非常多，無論是頭部、頸部還是身體部分需要走的刀具軌跡都極其復雜，曲面加工面較多。加工步驟分為：粗銑——精銑——再繼續(xù)完善未銑到或有粗糙的部分。通過對維納斯三維模型分析可知該模型可以利用圓柱形毛坯進行加工，夾具夾穩(wěn)零件下半部分。分析得出加工步驟如下：利用五軸機床粗銑上半身和下半身，將零件各部位輪廓大致銑出，然后利用更尖銳的銑刀再進行精加工，然后結合編程模擬時可能存在沒有銑到的地方例如頭發(fā)部位和頸部，再利用單獨程序比如旋轉精加工銑掉頭部和頸部沒有加工到的部分。

因而我們需要對加工模型進行分析。在分析結構的同時，同時結合實際加工，選擇最佳的加工方法，這樣才能綜合分析考慮從而更好的發(fā)揮五軸機床加工優(yōu)勢，利用盡可能好的工藝來加工出精度較高的維納斯模型。

2 PowerMill 編程

將維納斯模型導入PowerMill 軟件，進入加工環(huán)境。設置幾何體和毛胚，創(chuàng)建加工工序，設置切削模式和余量，設置好加工路徑，模擬加工后修改加工后導出程序，導入機床進行加工即可。PowerMill 軟件能較為智能讓使用者選擇最佳加工策略，從而提高加工效率，同時可以減少參數(shù)修改變動，可以非?？焖俚厣杉庸ぢ窂?。若對其生成刀路或策略不滿意，可以在較短時間內重新修改和重新計算刀具路徑，同時可以對數(shù)控加工進行刀柄、刀尖干涉檢查，在了解提高生產加工的安全率。

3 維納斯模型工藝路線設計

3.1 確定維納斯模型尺寸

模型3D 尺寸高×直徑為（158mm×49mm)，選用圓柱毛坯的尺寸為高×寬（160mm×50mm）。由于的加工的維納斯模型主要用于實踐與觀賞因而選擇尼龍這種合成纖維作為材料，尼龍具有機械強度高，韌性好，可以對抗較高的抗壓、抗拉強度。同時，材料軟化點較高，耐熱，配合切削液使用不會影響其加工后的外形。

3.2 加工工序的確定

確定裝夾方案：該零件毛坯的外形規(guī)則，為圓柱形，因此在加工外表面時，應該用三爪卡盤夾緊即可；加工時，由于毛坯下部分不需要加工，這樣只需要裝夾一次就可以完成全部的加工面。

刀具選擇：加工的零件材料為尼龍棒，尼龍機械強度高，韌性好,基于零件材料等因素的考慮，采用以下的刀具選用：粗銑選擇平底立銑刀，精銑選擇球刀。

立銑刀的材料為超硬高速鋼，球刀的材料為高速鋼。

3.2.1 零件上、下表面采用平底立銑刀加工，根據(jù)零件輪廓最小曲率來選擇銑刀直徑，使銑刀工作時有合理的切入/切出角；且銑刀直徑應盡量包容工件整個加工寬度，以提高加工精度和效率，并減小相鄰兩次進給之間的接刀痕跡。

3.2.2 正面和反面都是采用平底立銑刀進行加工，用Φ8mm的平刀粗加工。

3.2.3 正、反面精加工采用球刀加工，由于加工輪廓曲率受到限制取球刀R=1mm。

表1 維納斯工件數(shù)控加工刀具卡片

確定加工順序：設置正反表面的粗糙度要求為Ra1.6，所以選擇用平底立銑刀面銑“粗銑——精銑”方案，通過利用球頭刀精銑后其表面一般銑削就可以達到要求。通過分析模型形狀大致分為一下幾個工序加工如表2。

表2 零件加工刀具路徑表

4 維納斯模型的加工程序

4.1 粗加工上表面

利用PowerMill 編程加工模型上表面，利用的是模型區(qū)域清除這種策略，這種策略通常用于毛坯的粗加工，由于它所需要調控的參數(shù)少能快速生成模型大致切屑刀路，所以非常適合用于模型粗加工，但缺點就是并不是模型每個部分都可以銑得到，有許多小間隙是不能夠通過這種模型區(qū)域清除策略來生成刀路，這時就必須要用另外策略進行單獨銑削。

這次的上表面粗加工，是選用了模型區(qū)域清除里偏置全部得樣式，“偏置全部”這種樣式產生的偏移刀具路徑會盡可能在加工中使刀具減少提刀的次數(shù)，非常適合軟材料加工，鑒于維納斯模型加工刀路得復雜性和尼龍作為毛坯材料，選擇這種偏置全部得樣式恰到好處。切銷方向選擇了順銑，順銑是想要將刀紋統(tǒng)一美觀。公差選為0.1，余量選擇0.15mm。行距是輸入單個Z 高度處連續(xù)區(qū)域清除路徑之間的距離，行距越小越密，這里我們選擇5mm。下切步距是每次切削刀具切完后下移的深度。由于加工厚度并不深，在盡可能減少刀具損耗的情況下，將步距設置為0.5mm。

4.2 粗加工下表面

加工模型下表面時，因為同樣是粗加工所以也是利用模型區(qū)域清除，同時參數(shù)的調整也是與上表面加工大同小異。

4.3 精加工上下表面

利用旋轉精加工將模型上下表面一次性加工出來。這個旋轉精加工策略是在銑削過程中部件繞X 軸旋轉，而刀具進行同步的三軸運動，而裝夾的底盤則進行配合刀具進行旋轉運動以達到五軸功能。使用螺旋銑削方法刀具是沿X 軸方向做連續(xù)運動，從而零件外形產生一連續(xù)的刀具路徑。參數(shù)設定中的X 界限是定義了精加工路徑沿旋轉軸X 軸的絕對限界，它可手工定義或是自動按毛坯限界設置，為確保能得到高質量的精加工結果，刀具路徑應開始和結束于一恒定的X 軸位置，為達到此恒定值可直接截取頭頂部分和毛坯部分讓其自行計算長度。加工模式有圓圈、直線或螺旋，這里選擇直線模式，使用直線方式加工時，刀具沿X 軸以直線方式移動，在每個路徑的末端，刀具將撤回并移動到旋轉軸按角度行距分度定位出新的切削位置，開始新的切削，這樣能減少對機床的損耗和增加加工效率。角度限界表格的角度限界部分只有在使用圓形和直線銑削方式時有效，角度界限通過開始角和結束角定義，由于是維納斯模型的全身加工所以這里是。切削方向有順銑、逆銑和任意，選擇順銑或者逆銑的話會增加刀具抬刀次數(shù)，所以我們選擇了任意的切削方向。由于是精加工，所以余量選擇為0，行距設置為0.5。

4.4 精加頭頂部分

由于上一步PowerMill 的旋轉精加工策略編程生成刀路時頭頂有部分銑削不到，所以重新單獨編一個策略來進行加工。需要加工的部分是圓柱形并且長度并不高，所以選擇螺旋精加工，這個策略和上面的旋轉精加工最大的差別就是旋轉精加工是加工圓柱體上的輪廓而螺旋精加工基本用來加工圓柱表面的輪廓，選用螺旋切削方法時，刀具將沿工件的X 軸方向繞形體進行連續(xù)螺旋線形切削。為保證加工完整性，螺旋線的兩端（即始端和末端）的位置被固定，其具有恒定的X 位置且為整圓切削，因此維納斯頭頂部分更適合表面“修一修”的旋轉精加工策略。中心點的XY 軸選擇就是最小點和最大點的選擇，X 選0，Y 選-4。半徑就是需要加工的模型半徑大小，開始為0 結束為模型最大值選100。方向有順時針和逆時針，由于都是旋轉加工，無論是哪個方向都對加工影響不大，但出于刀紋美觀考慮，選擇順時針。余量為0，行距選擇0.2，這樣頭頂部分加工紋路出來便能更細，表面更光滑。

維納斯模型加工過程：首先將三爪卡盤夾具固定到五軸機床上，固定好后將毛坯放入夾緊，然后在刀庫上換上需要用到的刀具（8mm 平底立銑刀和R1 球頭刀），并測量刀具長度參數(shù)輸入到五軸機床上，再將刀具利用儀器進行精確定位參數(shù)，這樣五軸機床便會得到刀具精確的長度。下一步是進行對刀，海德漢系統(tǒng)機床擁有紅外線輔助功能對刀功能，無須再利用切削法來對刀。所有步驟進行完畢后將PowerMill 程序后處理完成后利用U 盤輸送到五軸機床的自帶電腦上，最后測試無誤后輸入到五軸機床里進行加工。

如圖2 便是維納斯模型加工過程中的拍攝的圖片，為防止刀具損耗和加工材料過熱而導致熱變形，所以加工過程中須不斷噴切削液。

圖1 模擬加工出的維納斯模型

圖2 實物加工過程

圖3 加工出的維納斯實物模型

5 結論

通過3D 模型導入結合PowerMill 軟件的自動編程，模擬加工后能夠達到工藝品的設計要。再結合實際機床加工出的產品（圖3），進一步證實加工方按的可行性。