PowerMILL軟件在薄壁件高速加工中的應用

朱湘寧 李 屹

（貴州大學機械工程學院，貴州貴陽 550003）

CAD/CAM軟件經過40多年的發展，國內外都有了較為成熟的產品。PowerMILL就是英國Delcam公司的CAD/CAM專業化軟件模塊之一，是一款適用于高速加工的智能化CAM系統，具有多種獨有的加工方式和全程防過切功能。PowerMILL能讀入各種CAD系統產生的三維模型，并提供完善的加工策略，進行安全的加工。它是獨立運行的、智能化程度很高的三維復雜形體加工CAM系統，實現了CAM系統與CAD分離，在網絡下完成一體化集成，更能適應工程化的要求，代表著CAM技術最新的發展方向［1］。

本項目研究的薄壁零件是某項產品中的重要件，由LC4-CS（壓制型材毛坯）機加而成，長度為1 297 mm，截面近似E字型（截面尺寸91 mm×37 mm），是典型的長薄壁零件。長度方向上直線度要求高（0.4 mm），腹板非常薄（僅為3.5 mm，公差為h12）。具有易變形難控制、形狀復雜特殊、精度相對要求高、生產周期長等特點。該零件長期以來靠龍門刨床和普通銑床加工，效率低，成為影響產品交付質量和進度的瓶頸。

為解決此問題，考慮用高速加工中心對該產品進行加工。高速切削時較小的切削力、較低的切削溫度以及刀具的高激振頻率等因素均有利于薄壁件的加工，能夠獲得較高的加工精度與表面質量，又因為該加工方式具有較高的生產效率，在實際生產中得到了廣泛應用。要充分發揮高速銑削工藝的優點，除了具有高速切削機床和高速切削刀具之外，還要有與之相匹配的加工編程軟件，同時還要對零件加工工藝進行改進，選擇合理的高速加工切削參數。

1 PowerMILL軟件在加工薄壁件中的高速加工策略

在采用高速加工的工藝方案時，粗加工階段應盡量使用高主軸轉速、高進給率和小切削量組合的加工方式。PowerMILL的粗加工（區域清除）策略能夠有效地保持刀具負荷穩定，盡可能使切削路徑平滑，從而避免了切削速度的降低。PowerMILL獨有的賽車線加工方式極為適合高速加工中的粗加工，它增加了刀具運行路線的光滑性和平衡性，有效地避免了刀路的突然轉向或頻繁切入、切出時對工件和刀具所造成的沖擊。利用刀具沿滾動的圓的運動來逐層、逐次對工件表面進行小切量、高效、高速的切削。擺線加工方式是粗加工方式中的另外一個特有的加工功能，該功能可以始終保持刀具路徑光滑、平穩，還能減少全刀寬切削。PowerMILL在大加工量、全刀寬、拐角等區域能自動判定、自動采用擺線加工方式。通過PowerMILL的區域過濾，系統能自動過濾掉不具備中心切削能力的刀具的盲區干涉區域的粗加工路徑。編程時應采用螺旋下刀或者斜線下刀，盡量避免直接下刀，最好是從工件外部下刀。由于該工件是開放式的，采用從工件外部下刀。在粗加工完成后，再進行局部去殘余量加工，使得半精和精加工時的余量分布均勻。如圖1，為Power-MILL中高速加工參數的設置選項。PowerMILL同時還提供了諸如三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等多種高速精加工策略，以確保切削過程光順、穩定，從而得到高精度的、光滑的切削表面。由于該工件外形比較簡單，我們采用簡單的輪廓加工作為精加工方式就可以了，關鍵是機床轉速和走刀速度的選擇，因為這是保證尺寸的關鍵。

PowerMILL相對于其它數控編程軟件最大的特點在于它不拘泥于嚴格的數控編程的步驟，也就是說加工中的某些步驟可以調換、刪除或者添加。比如進給率設置、快進高度設置、加工開始點設置以及切入切出連接的設置等這些步驟可以任意的調換次序或者忽略這些步驟的設置而調用默認值；項目的保存可以穿插于上述任意步驟之間，以避免在編程過程中數據的丟失；軟件還提供了方便的刀具路徑模擬功能，可以隨意設置檢查刀路是否有問題，降低了程序的出錯率。

2 數控加工工藝規劃

2.1 工藝方案

選用高速銑削設備按照數控加工的思路重新編制加工工藝（所有型面盡量一次裝夾），總體工藝步驟是：（1）加工外方基準；（2）粗加工所有型面（留2 mm精加工余量）；（3）精加工所有型面。

2.2 工藝過程及參數

考慮到和設計部門的統一性，采用solidworks軟件對工件進行三維建模。如圖2所示。工件尺寸見圖3。機床采用米克朗的高速立式加工中心。裝夾方式采用4個200 mm寬的大虎鉗，底面用墊塊找平后裝夾。X方向有效夾緊長度800 mm，占工件總長度1 297 mm的62%，Z方向有效夾緊高度也達到60%以上，可確保夾緊牢靠。加工前找平工件的直線度在0.2 mm范圍以內。

全部銑削工序均采用高壓油霧充分冷卻。Power-MILL設置了與多種三維軟件的接口，可以很方便地讀入其它軟件的文件，因此編程時不需轉變格式直接將solidworks繪制的工件導入。

加工工藝過程

（1）粗銑外廓1 304 mm×95 mm×41 mm，加工余量4 mm，先加工A、B面，再加工C、D面。深度方向分兩次加工，每次下刀1.8 mm，回刀0.2 mm；主軸轉速3 000 r/min；切削速度600 mm/min；銑刀 φ50 mm八齒盤銑刀。圖4為PowerMILL中刀具路徑效果圖。

（2）粗銑反面異形腔 N相關型面，加工余量4 mm，加工完畢后變形量不超過0.4 mm。粗銑正面平腔M相關型面，加工余量4 mm，加工完畢后變形量不超過0.5 mm。進刀深度1 mm，一層層加工到位，步進距離6 mm；主軸轉速12 000 r/min；切削速度9 000 mm/min；銑刀φ12 mm圓角R2 mm立銑刀。

（3）消除變形。完成上列工序后，檢查工件的變形量。變形量應在0.5 mm以內，如超過，應進行本工序：機械校形+時效處理6 h+冰凍2 h，控制變形量在0.5 mm以內。

（4）精銑外廓1 297 mm×91 mm×37 mm，加工余量2 mm，先加工A、B面，再加工C、D面，加工完畢后變形量不超過0.2 mm。深度方向一次加工完成，下刀1.8 mm，回刀0.2 mm；主軸轉速3 000 r/min；切削速度600 mm/min；銑刀φ50 mm八齒盤銑刀。Power-MILL精加工的連接處應盡量采用圓弧或螺旋等方式切入切出工件，要盡量減少抬刀次數和刀具路徑方向頻繁變化。

（5）精銑正面平腔M相關型面，加工余量2 mm，加工完畢后變形量不超過0.25 mm。深度方向每層0.5 mm，一層層加工到位，步進距離4 mm；主軸轉速9 950 r/min；切削速度7 500 mm/min；銑刀 φ12 mm 圓角R2 mm立銑刀。

（6）精銑反面異形腔 N相關型面，加工余量2 mm，加工完畢后變形量不超過0.15 mm。深度方向每層進刀0.5 mm，一層層加工到位，步進距離4 mm；主軸轉速9 950 r/min；切削速度7 500 mm/min；銑刀φ12 mm圓角R2 mm立銑刀。

3 高速銑削效果及經濟效益

采用高速銑削工藝后，加工變形量可控制在0.15 mm范圍以內，產品質量完全符合設計要求。加工效率也大大提高。用原加工方法（龍門刨床和普通銑床）加工，每個工件用時51.5 h，費用2 150元；采用高速銑削加工后，每個零件用時7.5 h，費用810元，按每年生產500件計算，可節約人民幣60多萬元。

4 走刀路線經驗總結

因為加工過程中零件經常發生變形，而且經常出現壁厚上厚、下薄，尺寸超差，經過多次試驗反復摸索，總結出以下走刀規劃，對今后薄壁工件的高速加工有很好的借鑒意義。數控加工系統、薄壁結構件材料、工件結構、所選刀具等因素與走刀規劃密切相關，在確定走刀策略時，應遵循以下原則：（1）平滑過渡。加工過程中必須避免走刀方向變化過快，防止擠壓變形和局部過切，以減小刀具對薄壁件的沖擊，刀具運動軌跡過渡時圓滑，內、外拐角時采用圓弧過渡，配合減速設置，可以有效避免銑削運動的急劇變化。（2）層優先方式。在確定切削順序時，應充分利用薄壁件自身剛性，分層銑削，以達到減小變形的目的。（3）等體積切削。以使加工過程中切削力恒定。（4）不重復路徑。在加工過程中，切削表面可能發生暫時變形，為免刀具走刀時劃傷加工面，刀具軌跡必須避免重疊。

5 結語

借助功能強大的PowerMILL軟件的高速加工CAM功能，生成薄壁工件的刀具軌跡路徑，很好地保證了產品的精度和交付進度。針對薄壁工件剛性差、強度弱，加工工藝性差，易發生加工變形和切削振動等情況，改變工件的裝夾方式，優化冷卻策略，選擇合適的切削刀具，優化工件的高速銑削加工工藝，探索控制薄壁件切削加工變形的方法，這對于提高生產率和保證加工質量有顯著意義。

1 吳立軍.PowerMILL概述及加工流程［J］.模具工業，2006（9）

2 王亞輝.薄壁鋁合金高速銑削工藝尋優及模擬仿真［J］.機床與液壓，2008（5）

3 翟萬略.Delcam高速、高效、五軸高可靠加工及在線質量控制技術［J］. 航空制造技術，2008（14）