印章外形四軸數控加工仿真研究

肖軍杰， 昌德兵， 張博， 董靜， 陳海茹， 高遠

（北京印刷學院 機電工程學院，北京102600）

0 引言

印章是一種文具，用于蓋在文件上表示鑒定或簽署。一般印章都會先沾上顏料再印；不沾顏料、印上平面后會呈現凹凸圖案的稱為鋼印；有些是印于蠟或火漆上、信封上的蠟印。印章材質有金屬、木材、石頭、玉石等。現代公文印章的外形通常設計為空間曲面，雖然增加了美觀性，但是也增加了制造難度。

隨著數控加工技術的發展，多軸聯動數控加工使得加工空間曲面變為可行。運用MasterCAM等軟件實現數控加工運動仿真和刀具軌跡代碼生成，代替了原有的實驗試錯，大大提高了設計、制造效率，縮短了產品的開發周期，節省了研發成本。本文針對印章的曲面外形加工，對其四軸加工仿真進行了研究［1-3］。

1 曲面印章數字建模

選擇典型公文印章進行數字建模。公文印章外形分3部分：上部為球形，中部為細腰形，下部為圓柱形。印章的數字建模在SolidWorks中進行，印章總高度為60 mm，上部球形直徑為40 mm，腰部圓弧半徑為10 mm，底面圓柱直徑為50 mm，腰部和底面圓柱之間的過渡部分圓角半徑為3 mm。

2 數控工藝分析

從圖1可見，印章為回轉體零件。如果使用普通三軸數控機床加工印章，不僅裝夾次數多、生產效率低，而且精度難以保證，在Z向會產生加工層間臺階形狀誤差。所以選用四軸聯動數控銑床加工該曲面，提高印章加工精度。四軸數控加工通過具有4根直線運動軸X、Y、Z和1個旋轉軸 A（或軸 B）的數控機床來實現，隨著機械加工精度的要求和零件復雜性的不斷變化，四軸數控加工設備越來越多。對于復雜空間曲面的加工制造，多軸聯動技術遠優于平面、三軸加工技術。具體而言，在以往的三維零件型面加工過程中多采用三坐標聯動加工，其特征是加工軸線始終不變，即始終平行于Z坐標軸。對于較為復雜的異形零件，如螺旋槳葉片、渦輪葉片、復雜模具零件等，往往需要多次裝夾并使用專用工裝夾具，還難以保證加工精度。若采用四軸聯動數控加工，可有效控制刀具和曲面切削點法矢夾角，使切削余量相對均勻；并可一次裝夾加工成形，大大提高加工效率，保證加工精度。

圖1 印章數字模型

3 印章外形四軸數控加工

MasterCAM軟件是美國CNC Software公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM系統，廣泛應用于機械加工、模具制造、汽車工業和航天工業等領域。它支持曲面高速、高精度加工和多軸（四軸、五軸）加工［4-8］。應用其多軸加工功能模塊，可方便、快速地編制高質量的多軸加工數控程序。

MasterCAM提供了多種復雜零件的粗精加工方法，根據零件的外形結構選擇不同的加工方法，大大提高了零件的加工效率和質量。零件加工的刀位軌跡一般分粗加工軌跡、半精加工軌跡和精加工軌跡，根據需要，可自動生成各階段的數控代碼。

3.1 模型導入

工業界經常采用多款軟件來實現產品協同設計、數控加工等，以達到發揮每款軟件的優勢，因此，文件格式的轉換就不可避免，對于SolidWorks和MasterCAM系統間的文件轉換，可采用x_t格式，iges格式等進行轉化、導入［3］。印章模型采用x_t格式導入。

3.2 印章數控加工流程

模型導入后，主要加工表面為回轉體的外形表面，可以采用四軸加工，工件底面安裝在工作臺上，印章的數控加工流程見圖2。

圖2 數控加工代碼生成流程圖

3.3 數控加工代碼生成及仿真驗證

導入模型，雙擊“機床類型”，選擇“銑床”命令，展開“屬性”操作命令，進入材料設置對話框，在“形狀”選項組中選擇“實體”單選按鈕，如圖3所示，進行確定，得到毛坯。考慮到工件底面水平放置，選擇工件底面中心為編程原點，選擇工件旋轉軸線為A軸。

圖3 材料屬性設置對話框

需要說明的是，在MasterCAM X5版本中，四軸旋轉加工已經并入五軸旋轉加工選項，實際應用中定義四軸即可。選擇刀具路徑中的“多軸刀具路徑”，進行四軸加工參數設置，分別定義好刀具路徑參數、刀具加工參數和旋轉四軸等參數，其中，刀具選擇240＃，刀具直徑為6 mm，其運動參數設置見圖4。

圖4 刀具運動參數

多軸加工參數設置第四軸時，當選擇“X軸”，表示刀具旋轉軸垂直于X軸，即刀具在YZ平面內旋轉；當選擇“Y軸”，表示刀具旋轉軸垂直于Y軸，即刀具在ZX平面內旋轉；印章加工選擇“Z軸”，即刀具旋轉軸垂直于Z軸，刀具在XY平面內旋轉。參數設置完畢后，進行刀具軌跡計算，計算結果見圖5。

圖5 刀具加工軌跡

為了檢驗4軸刀具軌跡的準確性，有必要進行刀具的運動仿真，而MasterCAM X5提供了強大的集成仿真校驗功能模塊，能夠對整個過程進行運動仿真，進行包括夾具、工件、刀具在內的干涉檢查。利用MasterCAM的加工仿真模塊，檢驗刀具是否發生碰撞和過切；加工中，工件固定，刀具圍繞模型軸線旋轉加工。圖5給出了印章虛擬加工過程中的仿真示意圖。

圖6 加工仿真示意圖

圖7 G代碼數控程序

如果在加工過程中出現干涉問題，則對刀具軌跡進行修正；若無問題，通過操作管理對話框的G1按鈕，生成G代碼，見圖7。最后，檢查G代碼，并對代碼修改翻譯，使之成為機床可用的數控代碼，就可生產加工實際零件。

4 結語

通過印章在SolidWorks中的數字化設計和MasterCAM X5中的數控加工，例證了產品在不同軟件之間實現設計制造一體化的方法；四軸加工主要用于制造具有回轉軸的零件或者近似回轉體的曲面零件；通過數控仿真軟件進行自動數控編程，獲得機床識別的G代碼，彌補了人工編程的諸多問題，顯著提高了產品的研發效率。

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