一种薄壳零件编程加工技术*

井平安 ， 谭桂玲 ， 杨建新 ， 于宗宇 ， 李 睿

（1.清华大学基础工业训练中心，北京 100084；2.天津现代职业技术学院 天津 300350；3.北京精雕集团，北京 102308）

乒乓球是一个规则的薄壳类零件，要想在乒乓球表面进行雕刻，需要对乒乓球进行准确的建模，选择合理的编程加工方法。课题组对乒乓球表面加工选择了两种不同的编程加工方法，一种是采用在机测量技术[1]，在乒乓球表面建立测量点，对其进行探测，然后根据探测结果进行加工；另一种编程方法不采用在机测量技术，直接在乒乓球上表面顶点建立坐标系原点，然后对零件进行编程加工。通过两种编程及加工方法的对比，观察最后的加工效果，为后续类似零件加工提供思路。

1 零件分析及编程过程

1.1 零件及工艺分析

1.1.1 零件分析

本课题所要加工的对象为乒乓球，2000年后，标准乒乓球直径为40 mm，重量为2.53 g~2.70 g，厚度约为0.42 mm。因此，乒乓球为一个标准的、均匀的薄壳体零件。根据乒乓球的特点，要想在乒乓球表面进行雕刻，需要合理设置乒乓球坐标系、进给速度和吃刀深度。因重量较轻，故乒乓球壳体厚度较薄，在加工过程中极易将乒乓球壳体刻穿或刻得厚薄不一。根据乒乓球的特点，拟采用两种编程方式，两种编程方式都将加工坐标系原点设置在乒乓球上表面最高点，一种为直接对刀加工；另一种为采用在机测量技术，对乒乓球表面进行曲面测量，重新拟合曲面，然后再进行加工[2]。

1.1.2 工艺分析

零件毛坯表面较为简单，为φ40标准球体，需要对球体表面进行加工；将工件坐标系X、Y选择放在乒乓球中心，将Z坐标放在工件上端面。根据零件体积和需要加工表面的特征，确定选用五轴机床进行加工，课题组选用北京精雕JDGR100五轴机床。根据所需加工零件的特征确定工序及刀具的选择。根据分析，此零件加工采用多轴加工组里面五轴曲线加工这一加工方法进行加工，因所加工图案较小且图案复杂，加工刀具拟采用“[锥度平底刀]JD-30-0.20”。零件装夹采用自制夹具的方法进行加工，具体加工工艺卡片如表1所示。

表1 加工工艺卡片

1.2 零件建模及夹具设计

采用三维建模软件SolidWorks，按照国际乒乓球标准，建立一个直径40 mm、壳厚0.42 mm的乒乓球模型。针对乒乓球特点，固定装夹拟采用气动吸附的方式，因此设计一个乒乓球加工卡具，使得乒乓球能够顺利地吸附在卡具上。然后利用SolidWorks建立卡具三维模型，并提前将卡具加工出来，实验是否吸附顺利。卡具制作完成并经过实验吸附正常后，利用SolidWorks软件，将乒乓球和卡具模型进行装配，得到乒乓球和卡具装配体后，将装配体模型转化为IGS格式模型[3]备用。乒乓球模型如图1所示，乒乓球和卡具装配体如图2所示。

图1 乒乓球模型

图2 夹具乒乓球组合图

1.3 零件编程

1.3.1 编程准备

本次加工所选用的编程软件为北京精雕集团Surfmill9.0。首先，进行编程前的准备工作，打开Surfmill9.0，进入到3D造型环境下，点击文件—输入—选择三维曲线曲面—选择上文所述准备好的在SolidWorks软件中导出的IGS格式的乒乓球和夹具装配体，分别将乒乓球和夹具放置在不同的图层中，以方便编程。将需要在乒乓球表面雕刻的图案提前准备好，选择DXF格式图案，课题组选用清华大学校徽作为乒乓球表面雕刻图案。在Surfmill9.0中，切换到2D造型模式下，文件—输入—所有格式文件，选择DXF格式，导入需要在乒乓球表面进行雕刻的图案文件，并检查确保图案间距大于0.2 mm，以确保所选刀具能够加工。至此，零件编程前的前期工作准备完毕。

1.3.2 编程过程

打开编程软件Surfmill9.0 2D绘制模式，将上文所提校徽图案并入到3D环境，然后将图案包裹在乒乓球表面，如图3所示。包裹过程中，根据实际包裹效果微调图案大小和包裹位置，尽量使得图案大小合适地从乒乓球Z轴正上方包裹到乒乓球上。采用第一种加工方法进行加工时，需要在乒乓球表面布置在机测量测量点，在测量点布置过程中一定要注意，所布置测量点范围要大于包裹在乒乓球上所要雕刻的图案范围，否则在后续加工过程中会报错。课题组本次在乒乓球表面布置5×5共25个测量点，所布测量点如图4所示。布置测量点后，进入正式的五轴曲线加工路径，按照工艺路径所设置参数输入相关参数，然后一定要在测量补偿里勾选上面所设置的测量路径。采用第二种加工方法进行加工时，直接进行五轴曲线加工路径的编程，无需进行在机测量编程和设置，也无需勾选测量补偿[4]。

图3 所布图案

图4 所布测量点

1.4 机床模拟与输出

选择加工模式下的几何体安装，将乒乓球和夹具组合体安装在机床上，点击自动摆放，观察零件和夹具安装是否到位，如有偏差可通过相关命令进行调节，确保零件和夹具安装与实际安装过程相同，几何体安装如图5所示。在几何体安装过程中，加工坐标系选择G54坐标系[3]。几何体安装完毕，选择机床模拟命令，对所编写的两种加工方法的路径分别进行模拟，如果在模拟加工过程中报错，需要查找所编写路径组[5]及时进行相应的修改，一定要确保机床模拟无误。若机床模拟没问题，对两个路径组分别进行输出。仿真模拟过程如图6所示。

图5 零件和夹具安装

图6 仿真模拟

2 加工过程

准备好编程和仿真过程中所需要的零件毛坯、夹具和刀具、测头等物品。按照在编程中所设置的刀号、夹具、毛坯，将加工过程中需要用到的刀具、夹具和毛坯分别安装在所进行加工的机床上。安装完毕后，首先需要对刀具进行对刀，利用对刀仪对加工刀具进行对刀操作，对刀完毕后，对零件进行对刀操作。两种不同的编程方法[6]所需进行的对刀操作也有所不同，采用第一种在机测量技术，对刀不需要很精确，在大概位置就行，因为在机测量后会自动进行修正；采用第二种加工方法加工过程中，对刀精度一定要精确，否则可能出现加工过程中部分位置加工不到或加工深浅不一的情况。加工过程如图7所示，加工后零件成品如图8所示。

图7 实际加工

图8 成品零件

3 总结

通过对薄壳类典型零件乒乓球表面的加工，验证了两种加工方法均能实现加工效果。第一种方法适合于有测头、可以进行在机测量时使用，加工过程中对刀比较方便，加工精度比较高，但是需要在编程时建立对应的在机测量程序；第二种加工方法适合没有测头时使用，但是第二种加工方法对零件毛坯，也就是乒乓球的精度要求极高，在手动过程中有着较严格的精度要求，加工过程中操作相对复杂。当然本次加工的为薄壳类工艺品，未对产品精度再做进一步检测，希望这两种加工方法及编程加工过程能为同类薄壳类零件加工提供一定的参考。