“车模”零件五轴数控加工刀轨研究

张亚彪+曹著明

摘 要：介紹了多轴加工CAD/CAM软件—PowerMILL及目前先进制造技术，并分析了整体五轴零件“车模”的工艺技术；介绍了应用PowerMILL软件对“车模”整体零件进行刀具路径参数化设置的相关流程，重点介绍了粗加工刀具路径3D区域清除中的子程序——“模型区域清除”加工策略的参数化设置方法。在零件的刀具路径设置过程中，依靠加工时主轴的旋转巧妙的解决了机床主轴头与夹具的干涉碰撞问题，缩短了刀具长度，增加了加工的效率及加工精度。

关键词：多轴加工；powerMILL；五轴部件；刀路设置；加工工艺

0 引言

当今正朝着复合，高速，柔性，高精和多功能方向发展的多轴数控加工技术蓬勃发展，努力实现着高效率，高品质的目标。但是相较于发达国家的我国，多轴数控加工技术研究起步较晚，与之智能制造技术水平还存在很大的差距，多轴数控加工机床的数控系统、轴头、电动机等主要零部件任然都依赖于进口。因此多轴加工机床的价格久居不下。

1 CAM软件——PowerMILL

在多轴零部件加工制造的过程中，除去少数简单的结构件可以采用手工编程外，其余绝大部分都需要借助计算机辅助系统（CAM软件）来计算加工程序的加工刀路，因此CAD/CAM软件在加工中起着至关重要的作用。目前，最具有代表性的CAM软件是由世界著名学府剑桥大学研发并由英国Delcam公司推出的PowerMILL软件，它是集2～5轴的高速铣削加工CAM系统，与同类的CAM系统相比，powerMILL系统在应用于多轴加工编程方面具有五轴加工刀路计算策略丰富，粗、精加工策略总计达到了30多种；多轴加工刀路编辑功能强大，可对计算出来的刀路进行直观，灵活和有效的编辑和优化；实现了多轴机床全面的碰撞检查和机床的仿真切削以及刀具自动避让碰撞的功能；此外，该软件操作简单，易学易用，多轴刀路计算速度快；交互式刀轴指向控制和编辑功能，由三轴加工刀路自动产生五轴的加工刀路；该系统直接对STL格式模型数据进行五轴加工和多种模型格式输入与输出，具有管道加工专用功能和叶轮、叶片和螺旋桨加工的专用功能，自动生成五轴联动粗、精加工的刀具路径，用户只需进行简单的设置即可生成高效，精准，无过切和无碰撞的叶片、叶轮和螺旋桨等零件的加工刀路。DelcamPowerMILL软件广泛应用于航空航天、船舶、制鞋快速原型、家用电器、汽车、轻工产品和模具制造等行业。目前选用了DelcamPowerMILL作为主要产品和模具加工软件的国内企业如：哈飞集团、一汽集团、上海大众、格力电器等；国外企业如Boeing、Canon、Mercedes Benz、Toyota、Volkswagen等。

2 “车模”零件工艺工装分析

车模整体模型的外表面由大量的曲面和某些特定的不规则曲面组成，因此就需用五轴机床加工完成，在本例中，车模的比例为1：5，最大的外形尺寸是907mm*340mm*250mm，所以直接使用长方体毛坯。为保证加工余量及装夹，设定毛坯尺寸为：930mm*350mm*260mm，材料为铝合金。采用压板加工艺夹具的装夹方案，如图1所示。并采用125mm长的d25r6刀尖圆角端铣刀、125mm长的d25r12.5球头铣刀及长度为50mm的d10r5球头铣刀来完成车模的粗加工、精加工和清角精加工。

“车模”的加工采用PowerMILL软件进行加工和刀具路径设计，使用DMU60MONOBLOCK多轴数控机床进行加工。但是由于车模整体零件表面粗糙度要求高，所以对该零件采取粗加工、精加工、清角的工艺流程；同时为避免在加工过程中机床主轴头与工作台发生干涉，以及满足在固定区域加工的条件和满足安全生产，安全操作的前提，采取了“刀轴界限”措施，保证了其安全高效的加工制造。其加工流程见和加工刀路见下表1。车模整体加工刀路见图2。

3“车模”零件粗加工策略设置

3.1 新建用户坐标系

车模的粗加工采用“模型区域清除”的加工策略，分别对长方体毛坯的顶部、左右及前后两端进行粗加工，在策略设置过程中需新建加工坐标系，并将其命名为用户坐标系1。如图2（a）中红色坐标系所示，因在加工过程中须始终保持用户和坐标系的Z轴（即刀轴矢量）指向被加工侧面，所以依次原理，建立前后两面及右面与顶面的用户坐标系，并依次命名为用户坐标系2，3，4，5。

3.2 新建刀具

在资源管理器中，选择刀具—右键—产生刀具—刀尖圆角端铣刀，在刀具设置对话框中完成“d25r6”刀具的设置，根据实际情况添加夹持后，设置刀具显示为阴影。

3.3 新建辅助平面

在车模顶部、前后面及侧型面加工时，因受限于刀具的悬伸长度，不能直接加工的车模的底部，及相对防止碰撞和过切的安全加工位置，因此需要输入辅助面来限制粗加工Z方向的切削深度。辅助的补面可用任何CAD软件，powerShape、Core 、Catia、NX、Solidworks等设计出来后直接输入到powerMILL系统中即可。如图3（a）所示。

3.4 勾画限制边界

为了可以有效的减少机床的控行程，在进行整车模型粗加工顶部、侧围时，会将车模侧围局部进行了粗加工，因此需要勾画侧围粗加工边界，来限制该侧面粗加工的范围。也是决定该车模整体加工成败的关键所在，这一决定性的参数化设置可在查看工具栏中完成，具体操作步骤是单击从上查看按钮，须将车模摆成与屏幕平行的位置，在powerMILL资源管理器中，右击“边界”树枝，在弹出的边界快捷菜单条中单击“定义边界”—“用户定义”对话框，并打开“用户定义”对话框，单击勾画按钮，打开曲线编辑器工具栏，然后单击该工具栏中的勾画连续直线按钮，并在需要限界的区域勾画出边界线，通常以需要加工的区域大小为宜，过大则加工时间长，过小则加工区域不全面。如图3（b）所示。以顶部粗加工为例，设置并计算顶部粗加工刀路：在powerMILL综合工具栏中，单击刀具路径策略的按钮，并打开“策略选取器”对话框，在“三D区域清除”的选项工具栏中，选择“模型区域清除”，并打开“模型区域清除”的参数设置表格，激活“坐标系1 "，在弹出的“模型区域清除”对话框中输入刀具路径名称为：d25r6—dmcjg；选择坐标系为：坐标系1 ；刀具为：d25r6；在“模型区域清除”选项框中选择偏置全部，轮廓：顺铣，区域：顺铣，公差：0.2，余量：1.0，行距：15，下切步距：自动（1）；在“刀轴”选项框中选择：垂直；在“快进高度”选项框中选择安全区域：平面，用户坐标系：坐标系1，法线：0，0，1，安全Z高度：93.78882，开始Z高度：83.78882，快进间距：10，下切间距：5，设置完后选择“计算”；完成相关参数设置。

4 小结

本文较为详细的介绍了当今先进的制造技术——多轴加工技术及其在未来多轴加工中的应用发展方向，同时也介绍了PowerMILL软件不同的特点、功能及车模整体零件加工的工艺与装夹，并且着重的介绍了车模整体零件的粗加工，3D模型区域清除中的“模型区域清除”这一子程序中刀具路径设置流程及在加工程序中需要做前期准备的难点工作及注意事项。并经验证其加工刀具路径的安全性和可行性，用PowerMILL软件能设置出车模整体零件的加工刀路，并且可以同时实现一次装夹完成车模各个斜面部位的加工，大大提高加工效率。

参考文献

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