基于GibbsCAM的醫(yī)療器械鈦合金零件的數(shù)控編程與加工

鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院 （河南 458030） 李 震

鈦合金材具有高強(qiáng)度、高硬度、低密度和低熱傳導(dǎo)性，鈦合金材相對(duì)材料可加工性Kr僅為0.22～0.35，屬難切削加工金屬材料，其高速切削速度范圍（100～1 200m/min）遠(yuǎn)低于鋁合金材（2 500～7 500m/min）。比如一把直徑50mm刀具，在主軸轉(zhuǎn)速4 000r/min時(shí)其切削速度為628m/min，對(duì)鋁合金材而言，這是正常的切削速度，但對(duì)鈦合金材而言，這已是較高速了。顯然對(duì)鈦合金材枓切削加工就需要高功率高轉(zhuǎn)矩主軸的數(shù)控加工機(jī)床。

由于鈦合金在切削過程中存在大切削力、高切削溫度、高摩擦功、易生成硬化層、易產(chǎn)生彈性變形和振動(dòng)等難題。尤其醫(yī)療器械零件精度高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，就更難加工了。如圖1 所示該零件是用于人體脊椎的鑲件，因零件涉及保密，所以對(duì)造型做了適當(dāng)改動(dòng)。

圖1 零件實(shí)體圖

在加工過程我們選用了世界頂尖的高精密機(jī)床，主要用作醫(yī)療、航空航天電子元器件等高精度產(chǎn)品的生產(chǎn)加工。應(yīng)用了GibbsCAM的5軸定位加工功能。

1. 數(shù)控加工工藝過程

（1）定義機(jī)床文件 在GibbsCAM軟件中，首先選擇此工作所針對(duì)的機(jī)床加工環(huán)境。此機(jī)床結(jié)構(gòu)為WILLEMIN W408MT Head－Table（B軸擺動(dòng)，C軸旋轉(zhuǎn)）車銑中心，如圖2所示。GibbsCAM軟件通過機(jī)床定義文件（MDD）定制WILLEMIN W408MT機(jī)床的結(jié)構(gòu)，后續(xù)的編程和后置處理和此密不可分。

圖2 定義機(jī)床文件

GibbsCAM軟件可以根據(jù)毛坯大小，在三維零件圖基礎(chǔ)上定義毛坯，還可以基于實(shí)體毛坯加工。外層矩形為零件毛坯如圖3所示，材料TC14合金，零件尺寸19mm×18mm×5.5mm。

圖3 毛坯

（2）開粗 用φ6mm平刀進(jìn)行一次開粗，加工參數(shù)如表1所示。

表 1

正面開粗如圖4所示。

圖4 正面開粗

通過建立輔助坐標(biāo)系完成反面的開粗程序（見圖5），加工參數(shù)不變，最終后置的程序均是以絕對(duì)坐標(biāo)系輸出。

圖5 反面開粗

用φ2mm平刀進(jìn)行二次開粗：同樣方式完成零件正反面的二次開粗，GIBBSCAM是實(shí)體軟件，具有毛坯繼承功能，可以精準(zhǔn)地繼承φ6mm平刀加工后的殘料，如圖6所示（加工參數(shù)見表2）。

圖6 二次開粗

表 2

（3）精加工 銑削水平區(qū)域：用φ2mm平刀精銑反面水平區(qū)域如圖7所示（加工參數(shù)見表3）。

圖7 精銑水平區(qū)域

表 3

銑削曲面區(qū)域：用φ5mm球刀銑削正面曲面部分如圖8所示（加工參數(shù)見表4）。

圖8 正面曲面銑削

表 4

φ1mm球刀銑削反面曲面部分如圖9所示（加工參數(shù)見表5）。

圖9 反面曲面銑削

表 5

以上精加工考慮到曲面質(zhì)量和刀具磨損，也可加工兩次，第一次預(yù)留0.03mm余量，而后做最終精加工。

（4）點(diǎn)孔 針對(duì)這種斜孔(孔深2m m)，GIBBSCAM有專門的鉆孔管理器，自動(dòng)識(shí)別孔特征，自動(dòng)確定斜孔角度，自動(dòng)選取合適刀具如圖10所示。

圖10 點(diǎn)孔

（5）輪廓加工 用φ2.5mm平刀對(duì)零件處輪廓進(jìn)行加工（見圖11及參數(shù)表6）。

圖11 輪廓加工

表 6

（6）機(jī)床仿真加工 GibbsCAM 機(jī)床仿真可以在真實(shí)模擬的加工環(huán)境下對(duì)整個(gè)零件加工過程作詳盡地仿真以及檢測(cè)，包括機(jī)床、夾具、壓板、毛坯以及工件。快速、準(zhǔn)確、可靠的機(jī)床仿真避免了NC 機(jī)床上昂貴的試運(yùn)行操作，并幫助制造最復(fù)雜的零件時(shí)也能首先確保加工的高度準(zhǔn)確性，從而提升生產(chǎn)效率，降低切削加工成本。我們可以根據(jù)實(shí)際機(jī)床型號(hào)、參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建仿真機(jī)床，進(jìn)行仿真加工，避免干涉、碰撞，確保加工安全，同時(shí)優(yōu)化加工程序（見圖12）。

圖12 機(jī)床仿真加工

（7）后處理 GibbsCAM軟件免費(fèi)自帶的后置處理系統(tǒng)PostHASTE。另外針對(duì)復(fù)雜設(shè)備如多軸多通道復(fù)合加工中心后置處理程序開發(fā)一套更加成熟的后置處理系統(tǒng)Compost支持目前國際上所有的機(jī)床控制系統(tǒng)，并且可根據(jù)客戶要求定制特殊的后處理代碼格式，專門定制了機(jī)床定義文件MDD（Machine De fi nition Documents）和VMM 文件對(duì)軟件編程環(huán)境做了控制，使得后置處理具有了針對(duì)不同機(jī)床很強(qiáng)的專業(yè)性。當(dāng)程序編好后頂層面板上后置處理器便會(huì)被激活，點(diǎn)擊“后置處理器”按鈕，彈出后處理對(duì)話框，點(diǎn)擊“后處理”按鈕，選擇相應(yīng)的機(jī)床后置處理文件，點(diǎn)擊“輸出檔案”按鈕，指定存儲(chǔ)NC 程序位置，點(diǎn)擊“程序”按鈕，該零件的NC 程序便自動(dòng)生成。

2. 結(jié)語

GibbsCAM的全相關(guān)系統(tǒng)使得程序能根據(jù)零件模型的變化方便快速地自動(dòng)更新，高級(jí)刀路生成系統(tǒng)更快更準(zhǔn)確地創(chuàng)建永不過切的加工程序，鉆孔管理器能方便組織鉆孔工藝，機(jī)床仿真功能能夠方便地檢查程序中零件、刀具和機(jī)床之間的干涉。使用GibbsCAM對(duì)醫(yī)療器械鈦合金零件進(jìn)行編程與加工，可大大提高編程效率、機(jī)床利用率和程序正確度。