“車模”零件五軸數控加工刀軌研究

張亞彪+曹著明

摘 要：介紹了多軸加工CAD/CAM軟件—PowerMILL及目前先進制造技術，并分析了整體五軸零件“車模”的工藝技術；介紹了應用PowerMILL軟件對“車模”整體零件進行刀具路徑參數化設置的相關流程，重點介紹了粗加工刀具路徑3D區域清除中的子程序——“模型區域清除”加工策略的參數化設置方法。在零件的刀具路徑設置過程中，依靠加工時主軸的旋轉巧妙的解決了機床主軸頭與夾具的干涉碰撞問題，縮短了刀具長度，增加了加工的效率及加工精度。

關鍵詞：多軸加工；powerMILL；五軸部件；刀路設置；加工工藝

0 引言

當今正朝著復合，高速，柔性，高精和多功能方向發展的多軸數控加工技術蓬勃發展，努力實現著高效率，高品質的目標。但是相較于發達國家的我國，多軸數控加工技術研究起步較晚，與之智能制造技術水平還存在很大的差距，多軸數控加工機床的數控系統、軸頭、電動機等主要零部件任然都依賴于進口。因此多軸加工機床的價格久居不下。

1 CAM軟件——PowerMILL

在多軸零部件加工制造的過程中，除去少數簡單的結構件可以采用手工編程外，其余絕大部分都需要借助計算機輔助系統（CAM軟件）來計算加工程序的加工刀路，因此CAD/CAM軟件在加工中起著至關重要的作用。目前，最具有代表性的CAM軟件是由世界著名學府劍橋大學研發并由英國Delcam公司推出的PowerMILL軟件，它是集2～5軸的高速銑削加工CAM系統，與同類的CAM系統相比，powerMILL系統在應用于多軸加工編程方面具有五軸加工刀路計算策略豐富，粗、精加工策略總計達到了30多種；多軸加工刀路編輯功能強大，可對計算出來的刀路進行直觀，靈活和有效的編輯和優化；實現了多軸機床全面的碰撞檢查和機床的仿真切削以及刀具自動避讓碰撞的功能；此外，該軟件操作簡單，易學易用，多軸刀路計算速度快；交互式刀軸指向控制和編輯功能，由三軸加工刀路自動產生五軸的加工刀路；該系統直接對STL格式模型數據進行五軸加工和多種模型格式輸入與輸出，具有管道加工專用功能和葉輪、葉片和螺旋槳加工的專用功能，自動生成五軸聯動粗、精加工的刀具路徑，用戶只需進行簡單的設置即可生成高效，精準，無過切和無碰撞的葉片、葉輪和螺旋槳等零件的加工刀路。DelcamPowerMILL軟件廣泛應用于航空航天、船舶、制鞋快速原型、家用電器、汽車、輕工產品和模具制造等行業。目前選用了DelcamPowerMILL作為主要產品和模具加工軟件的國內企業如：哈飛集團、一汽集團、上海大眾、格力電器等；國外企業如Boeing、Canon、Mercedes Benz、Toyota、Volkswagen等。

2 “車模”零件工藝工裝分析

車模整體模型的外表面由大量的曲面和某些特定的不規則曲面組成，因此就需用五軸機床加工完成，在本例中，車模的比例為1：5，最大的外形尺寸是907mm*340mm*250mm，所以直接使用長方體毛坯。為保證加工余量及裝夾，設定毛坯尺寸為：930mm*350mm*260mm，材料為鋁合金。采用壓板加工藝夾具的裝夾方案，如圖1所示。并采用125mm長的d25r6刀尖圓角端銑刀、125mm長的d25r12.5球頭銑刀及長度為50mm的d10r5球頭銑刀來完成車模的粗加工、精加工和清角精加工。

“車模”的加工采用PowerMILL軟件進行加工和刀具路徑設計，使用DMU60MONOBLOCK多軸數控機床進行加工。但是由于車模整體零件表面粗糙度要求高，所以對該零件采取粗加工、精加工、清角的工藝流程；同時為避免在加工過程中機床主軸頭與工作臺發生干涉，以及滿足在固定區域加工的條件和滿足安全生產，安全操作的前提，采取了“刀軸界限”措施，保證了其安全高效的加工制造。其加工流程見和加工刀路見下表1。車模整體加工刀路見圖2。

3“車模”零件粗加工策略設置

3.1 新建用戶坐標系

車模的粗加工采用“模型區域清除”的加工策略，分別對長方體毛坯的頂部、左右及前后兩端進行粗加工，在策略設置過程中需新建加工坐標系，并將其命名為用戶坐標系1。如圖2（a）中紅色坐標系所示，因在加工過程中須始終保持用戶和坐標系的Z軸（即刀軸矢量）指向被加工側面，所以依次原理，建立前后兩面及右面與頂面的用戶坐標系，并依次命名為用戶坐標系2，3，4，5。

3.2 新建刀具

在資源管理器中，選擇刀具—右鍵—產生刀具—刀尖圓角端銑刀，在刀具設置對話框中完成“d25r6”刀具的設置，根據實際情況添加夾持后，設置刀具顯示為陰影。

3.3 新建輔助平面

在車模頂部、前后面及側型面加工時，因受限于刀具的懸伸長度，不能直接加工的車模的底部，及相對防止碰撞和過切的安全加工位置，因此需要輸入輔助面來限制粗加工Z方向的切削深度。輔助的補面可用任何CAD軟件，powerShape、Core 、Catia、NX、Solidworks等設計出來后直接輸入到powerMILL系統中即可。如圖3（a）所示。

3.4 勾畫限制邊界

為了可以有效的減少機床的控行程，在進行整車模型粗加工頂部、側圍時，會將車模側圍局部進行了粗加工，因此需要勾畫側圍粗加工邊界，來限制該側面粗加工的范圍。也是決定該車模整體加工成敗的關鍵所在，這一決定性的參數化設置可在查看工具欄中完成，具體操作步驟是單擊從上查看按鈕，須將車模擺成與屏幕平行的位置，在powerMILL資源管理器中，右擊“邊界”樹枝，在彈出的邊界快捷菜單條中單擊“定義邊界”—“用戶定義”對話框，并打開“用戶定義”對話框，單擊勾畫按鈕，打開曲線編輯器工具欄，然后單擊該工具欄中的勾畫連續直線按鈕，并在需要限界的區域勾畫出邊界線，通常以需要加工的區域大小為宜，過大則加工時間長，過小則加工區域不全面。如圖3（b）所示。以頂部粗加工為例，設置并計算頂部粗加工刀路：在powerMILL綜合工具欄中，單擊刀具路徑策略的按鈕，并打開“策略選取器”對話框，在“三D區域清除”的選項工具欄中，選擇“模型區域清除”，并打開“模型區域清除”的參數設置表格，激活“坐標系1 "，在彈出的“模型區域清除”對話框中輸入刀具路徑名稱為：d25r6—dmcjg；選擇坐標系為：坐標系1 ；刀具為：d25r6；在“模型區域清除”選項框中選擇偏置全部，輪廓：順銑，區域：順銑，公差：0.2，余量：1.0，行距：15，下切步距：自動（1）；在“刀軸”選項框中選擇：垂直；在“快進高度”選項框中選擇安全區域：平面，用戶坐標系：坐標系1，法線：0，0，1，安全Z高度：93.78882，開始Z高度：83.78882，快進間距：10，下切間距：5，設置完后選擇“計算”；完成相關參數設置。

4 小結

本文較為詳細的介紹了當今先進的制造技術——多軸加工技術及其在未來多軸加工中的應用發展方向，同時也介紹了PowerMILL軟件不同的特點、功能及車模整體零件加工的工藝與裝夾，并且著重的介紹了車模整體零件的粗加工，3D模型區域清除中的“模型區域清除”這一子程序中刀具路徑設置流程及在加工程序中需要做前期準備的難點工作及注意事項。并經驗證其加工刀具路徑的安全性和可行性，用PowerMILL軟件能設置出車模整體零件的加工刀路，并且可以同時實現一次裝夾完成車模各個斜面部位的加工，大大提高加工效率。

參考文獻

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