基于PowerMILL的龙凤铜碗五轴加工技术

林新贵，钟飞龙，易根苗

(广州番禺职业技术学院，广东广州511483)

如图1所示的龙凤铜碗原是某企业委托我校加工的黄金展品，其整体结构如碗状，外表面有一龙、一凤、双喜、样条等图案，加工要求形状准确、尺寸精确、各曲面之间过渡光滑自然、图案逼真、表面粗糙度小。此零件的加工属于手板试制，目的是检验外观、结构能否达到设计意图。为降低成本，应企业要求，试加工材料采用黄铜。

图1 龙凤双喜碗工程图

1 零件的建模

首先在Powershape软件中构画出碗的半边线框，通过旋转命令生成碗的基本实体。然后按企业要求在

外部图库导入龙、凤、双喜和样条等图案，将其投影到碗的实体曲面上。最后通过拉伸命令将图案拉伸成0.7 mm 高的实体，通过实体求和命令使碗基本实体和图案实体成为一个实体，如图2所示。

图2 龙凤双喜碗实体图

2 工艺分析

2.1 零件分析和毛坯准备

对零件图分析可知:龙凤铜碗最大高度为48.1 mm，最大直径为103.3 mm，碗壁厚度约为2 mm，在碗外表面上有一条龙、一条凤、两条链条和两个双喜图案，图案的高度为0.7 mm，图案结构相当复杂，并且构成要素细小，尤其是凤的尾部羽毛结构十分细小，对编程和刀具选用有较高的要求，曲面数据庞大，加工精度要求较高。表面粗糙度要求较小。考虑装夹的需要，把黄铜毛坯加工成φ104×53 mm，作为工件装夹粗基准。

2.2 加工方案的确定

由于碗上图案是分布在一张回转的曲面上，曲面比较陡，形成较多的倒勾面，三轴数控机床无法加工，为了能把图案清淅地加工出来需用五轴联动数控机床，根据现有条件选择了DMU40 五轴联动高速加工中心。碗手板加工可有两种方案，第一种方案是先加工碗的内表面(光滑面)，再翻转180°后加工碗的外表面(图案面)。这种加工方案的缺点是翻面后不好定位，由于已加工好的内表面是光滑的，不利于装夹定位，不易保证龙凤双喜图案的精度和粗糙度。第二种方案是先加工碗的外表面 (图案面)，再翻转180°后加工碗的内表面(光滑面)。这种加工方案弥补了第一种加工方案的缺点，但它也会产生工件刚性较差的问题，可采取减小切削用量和增大刀具直径等措施来降低不利的影响。

2.3 装夹方式

首先加工的部位是外表面，装夹工件前先加工出下一工序的定位基准，将毛坯尺寸加工至φ98×53，采用三爪自定心卡盘装夹(如图3所示)。毛坯露出三爪卡盘至少50 mm，毛坯底部用3个等高的基准块作为轴向定位;用探测头精确找正工件的圆心作为X、Y轴的原点，毛坯顶面下降0.5 mm 作为Z轴的原点。

碗外表面加工完毕，第二次装夹的加工内容是粗加工型腔(如图4所示)。工件翻转180°，以φ98 外圆柱面为装夹面，碗底用一根基准圆柱棒支承作为轴向定位基准。用探测头精确找正工件的圆心作为X、Y轴的原点，毛坯顶面下降0.5 mm 作为Z轴的原点。

碗手板内表面精加工时的装夹是一大工艺难题，经研究，选用石膏作为粘结剂固定工件。预先设计和制造一个石膏盒，设计时要充分考虑碗的最大直径、最大高度尺寸和基准面的平面度等要求;需特别强调的是，一定要保证石膏盒的形位公差要求。操作过程是调好石膏桨，把碗放到石膏盒里，以底面作为定位基准，固定不动，往盒里倒入石膏桨，均匀填满整个石膏盒。待石膏干硬后，在碗口面找4个点打表检查是否水平，如不水平，进行调整直到水平。用探测头精确找正工件的圆心作为X、Y轴的原点，碗的顶面作为Z轴的原点(如图5所示)，三次装夹加工后的工件分别如图6—8所示。

图3 工件第一次装夹图

图4 工件第二次装夹图

图5 工件第三次装夹图

图6 第一次装夹加工后的工件

图7 第二次装夹加工部位示意图

图8 第三次装夹加工后的工件

2.4 加工刀具的选择

由于毛坯材料是黄铜，硬度较低，切削性能较好，刀具材料选择普通高速钢刀具。同时碗上图案结构比较细小，半精加工及精加工时尽可能选择直径较小的刀具，加工碗手板所用刀具如表1所示。

表1 刀具卡

2.5 制订程序单

数控程序单是数控编程的主要依据，基于以上分析，制订碗手板的程序单如表2所示。

表2 程序单

2.6 加工工序及关键工艺参数表

根据零件各加工区域形状和几何特点，对其进行工艺分析，各加工工序及关键工艺参数的设定见表3(表格中空白处表示无需设置)。

表3 加工工序及关键工艺参数表

3 结束语

五轴编程之后还要注意两个问题:一是刀具路径仿真，五轴数控机床编程比三轴数控机床复杂得多，五轴数控机床价格昂贵，编程时安全问题不能不考虑。在CAM软件中进行刀路仿真时，有些安全隐患是看不出来的，比如刀轴的实际运动轨迹。为了安全起见，五轴加工刀具最好经过专业的仿真软件进行仿真加工。二是后置处理，五轴刀具路径生成后要进行后置处理才能产生NC代码，而五轴数控机床的后置处理一般没有通用性，不同类型的五轴数控机床不能使用同一后置处理机床选项文件，要根据具体的机床运动轴配置 (双摆头机床、双转台机床、一摆头一转台)、工作台的行程、数控系统等因素订制适合自已机床的后处理选项文件，这样产生的NC代码才正确，否则会造成走刀路线不正确，甚至造成机床与工件碰撞的严重后果。

按照上述工艺设置，应用PowerMILL软件进行五轴编程，在解决路径仿真、后置处理和装夹难题之后，龙凤铜碗的数控加工就是一个简单的操作问题了，最终我们用了大约12 h 完成了产品的整体加工(如图9所示)，经检测，其尺寸精度和表面质量都达到了要求。

图9 加工后的龙凤铜碗

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