维纳斯模型五轴加工模拟仿真与实验研究

何新勇 阮育煌

（东莞理工学院城市学院 智能制造学院，广东 东莞523419）

五轴联动机床具有高效率、高精度、可加工复杂曲面的特点而得到广泛的应用。在降低加工步骤的同时，也提高了零部件加工的精度。利用RTCP 功能自动计算并增加刀具有效切削刃的长度，从而在加工时减小切削力，提高刀具使用寿命。本文基于powmill 设计了维纳斯工艺品在五轴数控机床上的加工工艺及加工方法，希望能为企业生产提供借鉴。

1 维纳斯模型的结构分析

加工方法和加工工艺的选择和加工效果有很大的关系，也能更好更好的发挥五轴机床加工优势。维纳斯模型复杂，通过分析模型大致加工分为头部、颈部、身体部分，以粗铣表面轮廓时需要走的刀具轨迹非常多，无论是头部、颈部还是身体部分需要走的刀具轨迹都极其复杂，曲面加工面较多。加工步骤分为：粗铣——精铣——再继续完善未铣到或有粗糙的部分。通过对维纳斯三维模型分析可知该模型可以利用圆柱形毛坯进行加工，夹具夹稳零件下半部分。分析得出加工步骤如下：利用五轴机床粗铣上半身和下半身，将零件各部位轮廓大致铣出，然后利用更尖锐的铣刀再进行精加工，然后结合编程模拟时可能存在没有铣到的地方例如头发部位和颈部，再利用单独程序比如旋转精加工铣掉头部和颈部没有加工到的部分。

因而我们需要对加工模型进行分析。在分析结构的同时，同时结合实际加工，选择最佳的加工方法，这样才能综合分析考虑从而更好的发挥五轴机床加工优势，利用尽可能好的工艺来加工出精度较高的维纳斯模型。

2 PowerMill 编程

将维纳斯模型导入PowerMill 软件，进入加工环境。设置几何体和毛胚，创建加工工序，设置切削模式和余量，设置好加工路径，模拟加工后修改加工后导出程序，导入机床进行加工即可。PowerMill 软件能较为智能让使用者选择最佳加工策略，从而提高加工效率，同时可以减少参数修改变动，可以非常快速地生成加工路径。若对其生成刀路或策略不满意，可以在较短时间内重新修改和重新计算刀具路径，同时可以对数控加工进行刀柄、刀尖干涉检查，在了解提高生产加工的安全率。

3 维纳斯模型工艺路线设计

3.1 确定维纳斯模型尺寸

模型3D 尺寸高×直径为（158mm×49mm)，选用圆柱毛坯的尺寸为高×宽（160mm×50mm）。由于的加工的维纳斯模型主要用于实践与观赏因而选择尼龙这种合成纤维作为材料，尼龙具有机械强度高，韧性好，可以对抗较高的抗压、抗拉强度。同时，材料软化点较高，耐热，配合切削液使用不会影响其加工后的外形。

3.2 加工工序的确定

确定装夹方案：该零件毛坯的外形规则，为圆柱形，因此在加工外表面时，应该用三爪卡盘夹紧即可；加工时，由于毛坯下部分不需要加工，这样只需要装夹一次就可以完成全部的加工面。

刀具选择：加工的零件材料为尼龙棒，尼龙机械强度高，韧性好,基于零件材料等因素的考虑，采用以下的刀具选用：粗铣选择平底立铣刀，精铣选择球刀。

立铣刀的材料为超硬高速钢，球刀的材料为高速钢。

3.2.1 零件上、下表面采用平底立铣刀加工，根据零件轮廓最小曲率来选择铣刀直径，使铣刀工作时有合理的切入/切出角；且铣刀直径应尽量包容工件整个加工宽度，以提高加工精度和效率，并减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。

3.2.2 正面和反面都是采用平底立铣刀进行加工，用Φ8mm的平刀粗加工。

3.2.3 正、反面精加工采用球刀加工，由于加工轮廓曲率受到限制取球刀R=1mm。

表1 维纳斯工件数控加工刀具卡片

确定加工顺序：设置正反表面的粗糙度要求为Ra1.6，所以选择用平底立铣刀面铣“粗铣——精铣”方案，通过利用球头刀精铣后其表面一般铣削就可以达到要求。通过分析模型形状大致分为一下几个工序加工如表2。

表2 零件加工刀具路径表

4 维纳斯模型的加工程序

4.1 粗加工上表面

利用PowerMill 编程加工模型上表面，利用的是模型区域清除这种策略，这种策略通常用于毛坯的粗加工，由于它所需要调控的参数少能快速生成模型大致切屑刀路，所以非常适合用于模型粗加工，但缺点就是并不是模型每个部分都可以铣得到，有许多小间隙是不能够通过这种模型区域清除策略来生成刀路，这时就必须要用另外策略进行单独铣削。

这次的上表面粗加工，是选用了模型区域清除里偏置全部得样式，“偏置全部”这种样式产生的偏移刀具路径会尽可能在加工中使刀具减少提刀的次数，非常适合软材料加工，鉴于维纳斯模型加工刀路得复杂性和尼龙作为毛坯材料，选择这种偏置全部得样式恰到好处。切销方向选择了顺铣，顺铣是想要将刀纹统一美观。公差选为0.1，余量选择0.15mm。行距是输入单个Z 高度处连续区域清除路径之间的距离，行距越小越密，这里我们选择5mm。下切步距是每次切削刀具切完后下移的深度。由于加工厚度并不深，在尽可能减少刀具损耗的情况下，将步距设置为0.5mm。

4.2 粗加工下表面

加工模型下表面时，因为同样是粗加工所以也是利用模型区域清除，同时参数的调整也是与上表面加工大同小异。

4.3 精加工上下表面

利用旋转精加工将模型上下表面一次性加工出来。这个旋转精加工策略是在铣削过程中部件绕X 轴旋转，而刀具进行同步的三轴运动，而装夹的底盘则进行配合刀具进行旋转运动以达到五轴功能。使用螺旋铣削方法刀具是沿X 轴方向做连续运动，从而零件外形产生一连续的刀具路径。参数设定中的X 界限是定义了精加工路径沿旋转轴X 轴的绝对限界，它可手工定义或是自动按毛坯限界设置，为确保能得到高质量的精加工结果，刀具路径应开始和结束于一恒定的X 轴位置，为达到此恒定值可直接截取头顶部分和毛坯部分让其自行计算长度。加工模式有圆圈、直线或螺旋，这里选择直线模式，使用直线方式加工时，刀具沿X 轴以直线方式移动，在每个路径的末端，刀具将撤回并移动到旋转轴按角度行距分度定位出新的切削位置，开始新的切削，这样能减少对机床的损耗和增加加工效率。角度限界表格的角度限界部分只有在使用圆形和直线铣削方式时有效，角度界限通过开始角和结束角定义，由于是维纳斯模型的全身加工所以这里是。切削方向有顺铣、逆铣和任意，选择顺铣或者逆铣的话会增加刀具抬刀次数，所以我们选择了任意的切削方向。由于是精加工，所以余量选择为0，行距设置为0.5。

4.4 精加头顶部分

由于上一步PowerMill 的旋转精加工策略编程生成刀路时头顶有部分铣削不到，所以重新单独编一个策略来进行加工。需要加工的部分是圆柱形并且长度并不高，所以选择螺旋精加工，这个策略和上面的旋转精加工最大的差别就是旋转精加工是加工圆柱体上的轮廓而螺旋精加工基本用来加工圆柱表面的轮廓，选用螺旋切削方法时，刀具将沿工件的X 轴方向绕形体进行连续螺旋线形切削。为保证加工完整性，螺旋线的两端（即始端和末端）的位置被固定，其具有恒定的X 位置且为整圆切削，因此维纳斯头顶部分更适合表面“修一修”的旋转精加工策略。中心点的XY 轴选择就是最小点和最大点的选择，X 选0，Y 选-4。半径就是需要加工的模型半径大小，开始为0 结束为模型最大值选100。方向有顺时针和逆时针，由于都是旋转加工，无论是哪个方向都对加工影响不大，但出于刀纹美观考虑，选择顺时针。余量为0，行距选择0.2，这样头顶部分加工纹路出来便能更细，表面更光滑。

维纳斯模型加工过程：首先将三爪卡盘夹具固定到五轴机床上，固定好后将毛坯放入夹紧，然后在刀库上换上需要用到的刀具（8mm 平底立铣刀和R1 球头刀），并测量刀具长度参数输入到五轴机床上，再将刀具利用仪器进行精确定位参数，这样五轴机床便会得到刀具精确的长度。下一步是进行对刀，海德汉系统机床拥有红外线辅助功能对刀功能，无须再利用切削法来对刀。所有步骤进行完毕后将PowerMill 程序后处理完成后利用U 盘输送到五轴机床的自带电脑上，最后测试无误后输入到五轴机床里进行加工。

如图2 便是维纳斯模型加工过程中的拍摄的图片，为防止刀具损耗和加工材料过热而导致热变形，所以加工过程中须不断喷切削液。

图1 模拟加工出的维纳斯模型

图2 实物加工过程

图3 加工出的维纳斯实物模型

5 结论

通过3D 模型导入结合PowerMill 软件的自动编程，模拟加工后能够达到工艺品的设计要。再结合实际机床加工出的产品（图3），进一步证实加工方按的可行性。