基于Power MILL的球面圖案模型的五軸加工應用

楊宇輝，吳 鵬，陳盛貴

（東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著現代制造業的迅速發展，數控加工技術的越發普及，中小型數控機床以及一些高端機床購買成本逐年降低，使得數控機床的使用越來越普及，再加上小批量、個性化、高精度以及造型復雜的產品越來越多，產品更新周期越來越短，數控加工技術作為許多零件的必要加工手段，該技術的掌握與普及顯得越發重要。

數控編程是數控加工技術的重要研究內容，而表現又在于CAM軟件的編程研究。PowerMILL由英國Delcam Plc公司出品，是世界上著名的功能強大，加工策略豐富的數控加工編程軟件系統，簡單易學，其智能化過切保護、刀具過載保護、豐富的高速加工細節處理、刀桿與刀柄碰撞檢查、優化的計算方法等優點，極大地保證了加工的安全性[1-2]。

本文通過對球面圖案模型的加工工藝流程的探討，研究了球面圖案模型基于先進CAM技術的多軸編程加工工藝，通過對該模型具體編程加工方法的論述給出了多軸編程加工工藝規范化的思路，為編程人員提供了很好的參考。

1 球面圖案模型案例應用

1.1 零件加工特性分析

如圖1所示的球面圖案模型在工業產品中較為常見，例如商標或公司標志的球面圖標，圖案可以直接做在模具上，用來生產具有立體感的商標或公司標志的產品。本文的球面圖案，數控車床是無法加工出的，故采用加工中心來加工。對于該球面圖案，先采用三軸方式粗加工，然后用五軸進行半精加工以及精加工，最后是五軸局部精加工。

圖1 工件模型

1.2 編程公共參數預設置

1.2.1 載入模型

利用PS-Exchange模塊輸入球面圖案模型CAD文件，利用CAD軟件的建模優勢來提高編程效率和質量。

1.2.2 參數設定

（1）坐標系及毛坯大小設定

該模型是規則的幾何體，采用“四邊分中，底為零”原則，將坐標系建立在毛坯的底面中心，Z軸方向朝上。坐標原點的確定要利于測量和快速準確對刀。

在PowerMILL中，毛坯大小的設定是十分重要的。如果毛坯設定過大將增大程序的計算量，增加了編程的時間以及加工的時間；如果設定過小，程序將以毛坯的大小為包絡體進行計算，這樣很可能有的型面加工不到位或者在開始實際加工時出現干涉，所以毛坯大小的設定一般根據實際毛坯大小設定，擴展值稍大于加工刀具的半徑，同時還要考慮它的余量[3]。

為保證加工余量與裝夾，毛坯采用已加工好的200 mm×200 mm×103 mm方形45鋼料。裝夾方案采用永磁吸盤裝夾。

（2）加工參數預設置

對于全局的進給和轉速、快進高度、開始點與結束點以及切入切出和連接等內容的設定和刀具的設定，要根據機床性能參數（如最高轉速）、裝夾方式、所加工的材料以及刀具等來綜合預設置。為了利于編程時對刀具的選用和檢查，刀具的設置最好將刀具名稱與刀具尺寸聯系起來，便于加工人員配置刀具與裝夾。

1.3 加工工藝方案

該球面圖案的加工，首先要考慮典型的三軸粗加工，因為三軸開粗剛性好，可以用大直徑刀具、大進給量切削，而且三軸編程簡單，特別是加工過程中刀具與零件或刀具碰撞的檢驗要比五軸加工要容易得多，刀路的后處理也簡單，程序不易出差。

圖2 坐標系及毛坯大小設定

對于球面圖案中齒輪外輪廓線和下半年部分的“書”形圖案底部及側面，則需要使用五軸加工來半精加工、精加工及局部精加工。故本文采用粗加工、半精加工、精加工、局部精加工的工藝流程。其加工工藝流程見表1。

表1 球面圖案模型加工工藝方案

1.3.1 粗加工策略

粗加工的主要目標是追求單位時間內的材料去除率，使后續半精加工或精加工余量均勻，并保證粗加工刀路的平穩、高效[3]。本文采用模型區域清除策略，其具有高效的環繞切削走刀及進刀設置以及層間補刀功能，是粗加工的常用方式。其切入切出和連接采用斜向下刀，采取順銑的加工方式，從工件中心向外偏置加工，刀軌尖角處要圓角光順處理，保證刀具負荷穩定，減少切削力的突變。圖3為粗加工的刀具路徑。

圖3 粗加工刀具路徑

1.3.2 半精加工策略

半精加工采用螺旋精加工策略，進行五軸加工編程，“刀軸”設置為“朝向點”，該點不能用球面圖案的球心來定義，以此避免因刀軸與要加工的表面垂直所造成的靜點切削現象。“快進高度”安全區域設置為“球”，球面圖案的球心為安全區域中心，使工件輪廓形狀平整，表面加工余量均勻，為下面的精加工作準備[4-5]。刀具路徑圖如圖4所示。

圖4 半精加工刀具路徑

1.3.3 精加工策略

精加工的目標是加工出滿足零件設計要求的最佳表面質量和輪廓精度。本文精加工策略選擇曲面精加工和平行精加工策略，除了該球面圖案模型中的“五角星”采用平行精加工策略外，其余曲面都采用了曲面精加工策略。曲面精加工“刀軸”及“快進高度”的設置與半精加工步驟一致，平行精加工“刀軸”設置為“前傾/側傾”，前傾參數設置為15°。精加工策略在刀具路徑的尖角處采用圓弧光順處理，優化平行加工，可顯著提高加工效率，降低刀具磨損，減少對機床的沖擊。圖5為精加工刀具路徑圖。

圖5 精加工刀具路徑圖

1.3.4 局部精加工

本文中的曲面以及側面銑削完畢后，在曲面與側面的交接處及圓角處仍有殘余材料未被加工，需要局部精加工工序。由于該圖案的側面并不是直升面，而是斜面，三軸加工是做不到的，故選取SWARF精加工策略來作局部加工處理，先用直徑4 mm的端銑刀銑削掉大量的殘余材料，使余量均勻化后，再采用小直徑2 mm的端銑刀進行最后殘余清除，由于側面傾斜角度不一致，故“刀軸”的設置為“自動”，根據實際情況由程序自動調整。局部精加工刀軌見圖6。

圖6 局部精加工刀軌

1.3.5 仿真加工與后處理

編程最后，要進行刀具加持碰撞檢查及仿真模擬，通過計算機的檢查與模擬刀具運動，以避免在實際加工過程中發生撞刀、過切以及影響加工效率等不合理的走刀。仿真模擬結果見圖7。

圖7 加工仿真模擬結果

在確認碰撞檢查及仿真模擬沒有問題后，就要對刀具路徑進行后處理，生成機床可以識別的NC程序。本文的刀具路徑分成三軸加工及五軸加工兩部分，單獨對其作后處理。本文加工所使用的機床為DMGULTRASONIC 10立式雙擺臺五軸加工中心。加載刀具路徑到NC程序及后處理設置選項見圖8。

2 結束語

圖8 后處理設置

本文通過對基于PowerMILL的球面圖案模型五軸數控編程加工的應用，顯示多軸數控編程加工技術在復雜曲面造型加工方面有著明顯的優勢，通過一次裝夾能完成零件大部分部位的加工，減少裝夾次數，提高了加工質量和效率。本文介紹的加工與編程方法，對球面、圓柱面等零件的加工有著一定的參考作用。

［1］張守軍，成麗霞.基于DelCAM軟件中PowerMILL加工技術的應用［J］.模具制造技術，2008（2）：70-72.

［2］張林浩，等.PowerMILL在汽車模具層切加工中的應用［J］.模具制造，2012（3）：8-12.

［3］孫平，張瑞乾，楊慶東，等.PowerMILL在高速銑削加工中的應用［J］.CAD/CAM與制造業信息化，2009（5）：99-101.

［4］朱克憶.PowerMILL多軸數控加工編程［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［5］褚輝生.PowerMILL五軸編程實例教程［M］.北京：機械工業出版社，2012.