蜘蛛模型加工工藝與數控仿真加工的優化研究

呂彎彎

（河南應用技術職業學院 機電工程學院， 河南 鄭州 450042）

0 引 言

隨著我國工業水平的快速發展，制造行業產生了一系列高端制造裝備，如五軸聯動機床、車銑復合加工中心、3D打印機、掃描儀等高精度設備，這些設備主要用于加工生產高精度、高質量、高性能、曲面復雜的零部件。加工復雜的零部件需要擬訂合理的加工工藝[1]，選擇合適的切削參數、加工策略等為后續加工做好準備。

某蜘蛛模型由于曲面結構復雜，采用正向建模獲取蜘蛛的三維模型，難度大，尤其是其腿部、觸角位置的曲面，需利用三維掃描儀獲取蜘蛛模型的點云數據，如圖1（a）所示。經過Wrap 軟件、Geomagic Design X 逆向軟件[2]獲取其三維造型，如圖1（b）所示，該方式已經被廣泛應用于企業生產和各種競賽中。

圖1 蜘蛛模型點云數據與建模

1 工藝分析與加工工序以及關鍵工藝參數

1.1 工藝分析

蜘蛛模型加工屬于工藝品雕刻類加工，由于其結構特點，加工方式接近鏤刻加工，因此在加工過程中會出現較多干涉[3]和過切問題，這是影響加工安全和加工質量的主要因素。為解決加工可能出現的問題，在加工前對蜘蛛模型進行處理，將蜘蛛頭、尾、腳、腿等位置設置強度支撐（工藝支撐），以保證在鏤銑過程中蜘蛛模型剛性弱的部位具有足夠的強度；其次是蜘蛛模型的裝夾問題，選用規格φ300 mm×60 mm、型號7075 的鋁合金作為毛坯料，結合蜘蛛模型的加工工藝，裝夾時毛坯需立式裝夾，因此需要制作專用夾具[4]。為了實現毛坯立式裝夾，需在夾具體上表面鉆削4個定位孔，同時毛坯底面也鉆削4 個相同位置的定位孔，使用螺栓連接進行定位裝夾，裝夾效果如圖2所示。

圖2 毛坯裝夾

根據蜘蛛模型結構特點制定的加工工序：粗加工蜘蛛模型腹部→粗加工蜘蛛模型背部→半精加工蜘蛛模型腹部→半精加工蜘蛛模型背部→精加工蜘蛛模型腹部→精加工蜘蛛模型背部→精加工蜘蛛模型腿部→精加工蜘蛛模型頭部及肚子。

1.2 加工工序及關鍵工藝參數

蜘蛛模型曲面結構較為復雜，采用DMU85 Monobiock 五軸加工中心加工。經分析，粗加工和半精加工均采用3+2定向[5]方式完成，將蜘蛛模型腹部及背部作為定向加工的2 個主要加工面，需要根據蜘蛛模型整體形狀建立1 個分型面，將蜘蛛模型背部與腹部分開，以方便兩面定向加工。精加工及清角加工采用4+1 定向加工與五軸聯動加工完成，蜘蛛模型加工工藝如表1所示。

2 數控加工工藝的制定與數控仿真

2.1 數控加工工藝的制定

（1）毛坯基準面的加工。選用“平面銑削加工策略”進行基準面的粗、精加工，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行平面加工，行距設為10 mm，生成的刀具軌跡如圖3所示。

圖3 毛坯基準面粗加工與精加工刀具軌跡

（2）蜘蛛模型腹部、背部的粗加工。選用“模型區域清除加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行區域粗加工，行距設為1 mm，生成的刀具軌跡如圖4所示。

圖4 蜘蛛模型腹部與背部的粗加工刀具軌跡

（3）蜘蛛模型腹、背部的補加工。選用“模型殘余區域清除加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行補加工，行距設為1 mm，生成的刀具軌跡如圖5所示。

圖5 加工蜘蛛模型腹部與背部的補加工刀具軌跡

（4）蜘蛛模型腿部補加工。選用“等高精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行腿部半精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖6所示。

圖6 蜘蛛模型腿部補加工刀具軌跡

（5）蜘蛛模型腹部精加工。選用“螺旋線加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行腹部精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖7所示。

圖7 蜘蛛模型腹部精加工刀具軌跡

（6）蜘蛛模型尾部精加工。選用“曲面精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行尾部精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖8 所示。

圖8 蜘蛛模型尾部精加工刀具軌跡

（7）蜘蛛模型背部精加工。選用“放射精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行背部精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖9所示。

圖9 蜘蛛模型背部精加工刀具軌跡

（8）蜘蛛模型觸角精加工。選用“投影精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行觸角精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖10所示。

圖10 蜘蛛模型觸角精加工刀具軌跡

（9）蜘蛛模型腿部精加工。選用“投影精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行腿部精加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖11所示。

圖11 蜘蛛模型腿部精加工刀具軌跡

（10）蜘蛛模型腿部補精加工。選用“三維偏置精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進行腿部補加工，行距設為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖12所示。

圖12 蜘蛛模型腿部補精加工刀具軌跡

2.2 數控仿真及優化

通過PowerMill 軟件生成相應的刀具軌跡，選擇適合DMU85MonoBllock 五軸聯動數控機床的后置處理文件，生成NC 數控代碼。將數控NC 代碼導入VERICUT 數控仿真[6]軟件進行虛擬仿真加工，根據仿真結果進行程序優化，數控加工仿真流程如圖13所示。

圖13 數控加工仿真流程

VERICUT 仿真軟件不僅具有現場虛擬仿真功能，還具有數控程序再優化[7-9]的功能。VERICUT 軟件還提供了程序對比功能、力圖表[10]顯示功能、節省計算器功能。

（1）程序對比功能：根據左右程序行顯示的顏色，區分優化程序行，如圖14所示，優化程序行的進給速度、依據解析度距離參數，將一條程序行分為幾條程序行，提高加工軌跡的精度。

（2）力圖表顯示功能：生成相應的因素與加工時間的力圖表，圖15所示為最大屑厚與時間的力圖表，可以對力圖表進行放大和縮小操作。

圖15 最大屑厚與時間力圖表

（3）節省計算器功能：根據原始程序與優化后的程序對比，設置相應的對比參數，計算節省時間和成本，如圖16所示。

圖16 節省計算器

優化前后的加工時間對比如表2 所示，優化后的程序縮短了加工時間，尤其精加工復雜曲面時更加明顯，在精銑頭部和肚子時，優化率[11]達到了53.59%。通過圖14對比優化前后的程序，在空走刀程序行位置，會增加1個空走刀進給率，提升了空走刀的效率，會將程序更加細化，增加程序段，刀具步進距離更加細化，提高了加工精度。

表2 優化前后工時對比

3 結束語

通過PowerMill 軟件對蜘蛛模型進行自動編程，在VERICUT數控仿真軟件中進行程序優化，最后進行實體加工，加工的蜘蛛模型符合其精度要求，如圖17所示，表明該加工模式既可以提高零件的加工精度、減小刀具的磨損，又能提高機床的利用率、縮短工件加工時間和穩定工件的加工質量。

圖17 蜘蛛模型加工實物