PowerMILL軟件在薄壁件高速加工中的應(yīng)用

朱湘寧 李 屹

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550003）

CAD/CAM軟件經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都有了較為成熟的產(chǎn)品。PowerMILL就是英國(guó)Delcam公司的CAD/CAM專(zhuān)業(yè)化軟件模塊之一，是一款適用于高速加工的智能化CAM系統(tǒng)，具有多種獨(dú)有的加工方式和全程防過(guò)切功能。PowerMILL能讀入各種CAD系統(tǒng)產(chǎn)生的三維模型，并提供完善的加工策略，進(jìn)行安全的加工。它是獨(dú)立運(yùn)行的、智能化程度很高的三維復(fù)雜形體加工CAM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CAM系統(tǒng)與CAD分離，在網(wǎng)絡(luò)下完成一體化集成，更能適應(yīng)工程化的要求，代表著CAM技術(shù)最新的發(fā)展方向［1］。

本項(xiàng)目研究的薄壁零件是某項(xiàng)產(chǎn)品中的重要件，由LC4-CS（壓制型材毛坯）機(jī)加而成，長(zhǎng)度為1 297 mm，截面近似E字型（截面尺寸91 mm×37 mm），是典型的長(zhǎng)薄壁零件。長(zhǎng)度方向上直線(xiàn)度要求高（0.4 mm），腹板非常?。▋H為3.5 mm，公差為h12）。具有易變形難控制、形狀復(fù)雜特殊、精度相對(duì)要求高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。該零件長(zhǎng)期以來(lái)靠龍門(mén)刨床和普通銑床加工，效率低，成為影響產(chǎn)品交付質(zhì)量和進(jìn)度的瓶頸。

為解決此問(wèn)題，考慮用高速加工中心對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行加工。高速切削時(shí)較小的切削力、較低的切削溫度以及刀具的高激振頻率等因素均有利于薄壁件的加工，能夠獲得較高的加工精度與表面質(zhì)量，又因?yàn)樵摷庸し绞骄哂休^高的生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。要充分發(fā)揮高速銑削工藝的優(yōu)點(diǎn)，除了具有高速切削機(jī)床和高速切削刀具之外，還要有與之相匹配的加工編程軟件，同時(shí)還要對(duì)零件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，選擇合理的高速加工切削參數(shù)。

1 PowerMILL軟件在加工薄壁件中的高速加工策略

在采用高速加工的工藝方案時(shí)，粗加工階段應(yīng)盡量使用高主軸轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給率和小切削量組合的加工方式。PowerMILL的粗加工（區(qū)域清除）策略能夠有效地保持刀具負(fù)荷穩(wěn)定，盡可能使切削路徑平滑，從而避免了切削速度的降低。PowerMILL獨(dú)有的賽車(chē)線(xiàn)加工方式極為適合高速加工中的粗加工，它增加了刀具運(yùn)行路線(xiàn)的光滑性和平衡性，有效地避免了刀路的突然轉(zhuǎn)向或頻繁切入、切出時(shí)對(duì)工件和刀具所造成的沖擊。利用刀具沿滾動(dòng)的圓的運(yùn)動(dòng)來(lái)逐層、逐次對(duì)工件表面進(jìn)行小切量、高效、高速的切削。擺線(xiàn)加工方式是粗加工方式中的另外一個(gè)特有的加工功能，該功能可以始終保持刀具路徑光滑、平穩(wěn)，還能減少全刀寬切削。PowerMILL在大加工量、全刀寬、拐角等區(qū)域能自動(dòng)判定、自動(dòng)采用擺線(xiàn)加工方式。通過(guò)PowerMILL的區(qū)域過(guò)濾，系統(tǒng)能自動(dòng)過(guò)濾掉不具備中心切削能力的刀具的盲區(qū)干涉區(qū)域的粗加工路徑。編程時(shí)應(yīng)采用螺旋下刀或者斜線(xiàn)下刀，盡量避免直接下刀，最好是從工件外部下刀。由于該工件是開(kāi)放式的，采用從工件外部下刀。在粗加工完成后，再進(jìn)行局部去殘余量加工，使得半精和精加工時(shí)的余量分布均勻。如圖1，為Power-MILL中高速加工參數(shù)的設(shè)置選項(xiàng)。PowerMILL同時(shí)還提供了諸如三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工、螺旋等高精加工等多種高速精加工策略，以確保切削過(guò)程光順、穩(wěn)定，從而得到高精度的、光滑的切削表面。由于該工件外形比較簡(jiǎn)單，我們采用簡(jiǎn)單的輪廓加工作為精加工方式就可以了，關(guān)鍵是機(jī)床轉(zhuǎn)速和走刀速度的選擇，因?yàn)檫@是保證尺寸的關(guān)鍵。

PowerMILL相對(duì)于其它數(shù)控編程軟件最大的特點(diǎn)在于它不拘泥于嚴(yán)格的數(shù)控編程的步驟，也就是說(shuō)加工中的某些步驟可以調(diào)換、刪除或者添加。比如進(jìn)給率設(shè)置、快進(jìn)高度設(shè)置、加工開(kāi)始點(diǎn)設(shè)置以及切入切出連接的設(shè)置等這些步驟可以任意的調(diào)換次序或者忽略這些步驟的設(shè)置而調(diào)用默認(rèn)值；項(xiàng)目的保存可以穿插于上述任意步驟之間，以避免在編程過(guò)程中數(shù)據(jù)的丟失；軟件還提供了方便的刀具路徑模擬功能，可以隨意設(shè)置檢查刀路是否有問(wèn)題，降低了程序的出錯(cuò)率。

2 數(shù)控加工工藝規(guī)劃

2.1 工藝方案

選用高速銑削設(shè)備按照數(shù)控加工的思路重新編制加工工藝（所有型面盡量一次裝夾），總體工藝步驟是：（1）加工外方基準(zhǔn)；（2）粗加工所有型面（留2 mm精加工余量）；（3）精加工所有型面。

2.2 工藝過(guò)程及參數(shù)

考慮到和設(shè)計(jì)部門(mén)的統(tǒng)一性，采用solidworks軟件對(duì)工件進(jìn)行三維建模。如圖2所示。工件尺寸見(jiàn)圖3。機(jī)床采用米克朗的高速立式加工中心。裝夾方式采用4個(gè)200 mm寬的大虎鉗，底面用墊塊找平后裝夾。X方向有效夾緊長(zhǎng)度800 mm，占工件總長(zhǎng)度1 297 mm的62%，Z方向有效夾緊高度也達(dá)到60%以上，可確保夾緊牢靠。加工前找平工件的直線(xiàn)度在0.2 mm范圍以?xún)?nèi)。

全部銑削工序均采用高壓油霧充分冷卻。Power-MILL設(shè)置了與多種三維軟件的接口，可以很方便地讀入其它軟件的文件，因此編程時(shí)不需轉(zhuǎn)變格式直接將solidworks繪制的工件導(dǎo)入。

加工工藝過(guò)程

（1）粗銑外廓1 304 mm×95 mm×41 mm，加工余量4 mm，先加工A、B面，再加工C、D面。深度方向分兩次加工，每次下刀1.8 mm，回刀0.2 mm；主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min；切削速度600 mm/min；銑刀 φ50 mm八齒盤(pán)銑刀。圖4為PowerMILL中刀具路徑效果圖。

（2）粗銑反面異形腔 N相關(guān)型面，加工余量4 mm，加工完畢后變形量不超過(guò)0.4 mm。粗銑正面平腔M相關(guān)型面，加工余量4 mm，加工完畢后變形量不超過(guò)0.5 mm。進(jìn)刀深度1 mm，一層層加工到位，步進(jìn)距離6 mm；主軸轉(zhuǎn)速12 000 r/min；切削速度9 000 mm/min；銑刀φ12 mm圓角R2 mm立銑刀。

（3）消除變形。完成上列工序后，檢查工件的變形量。變形量應(yīng)在0.5 mm以?xún)?nèi)，如超過(guò)，應(yīng)進(jìn)行本工序：機(jī)械校形+時(shí)效處理6 h+冰凍2 h，控制變形量在0.5 mm以?xún)?nèi)。

（4）精銑外廓1 297 mm×91 mm×37 mm，加工余量2 mm，先加工A、B面，再加工C、D面，加工完畢后變形量不超過(guò)0.2 mm。深度方向一次加工完成，下刀1.8 mm，回刀0.2 mm；主軸轉(zhuǎn)速3 000 r/min；切削速度600 mm/min；銑刀φ50 mm八齒盤(pán)銑刀。Power-MILL精加工的連接處應(yīng)盡量采用圓弧或螺旋等方式切入切出工件，要盡量減少抬刀次數(shù)和刀具路徑方向頻繁變化。

（5）精銑正面平腔M相關(guān)型面，加工余量2 mm，加工完畢后變形量不超過(guò)0.25 mm。深度方向每層0.5 mm，一層層加工到位，步進(jìn)距離4 mm；主軸轉(zhuǎn)速9 950 r/min；切削速度7 500 mm/min；銑刀 φ12 mm 圓角R2 mm立銑刀。

（6）精銑反面異形腔 N相關(guān)型面，加工余量2 mm，加工完畢后變形量不超過(guò)0.15 mm。深度方向每層進(jìn)刀0.5 mm，一層層加工到位，步進(jìn)距離4 mm；主軸轉(zhuǎn)速9 950 r/min；切削速度7 500 mm/min；銑刀φ12 mm圓角R2 mm立銑刀。

3 高速銑削效果及經(jīng)濟(jì)效益

采用高速銑削工藝后，加工變形量可控制在0.15 mm范圍以?xún)?nèi)，產(chǎn)品質(zhì)量完全符合設(shè)計(jì)要求。加工效率也大大提高。用原加工方法（龍門(mén)刨床和普通銑床）加工，每個(gè)工件用時(shí)51.5 h，費(fèi)用2 150元；采用高速銑削加工后，每個(gè)零件用時(shí)7.5 h，費(fèi)用810元，按每年生產(chǎn)500件計(jì)算，可節(jié)約人民幣60多萬(wàn)元。

4 走刀路線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

因?yàn)榧庸み^(guò)程中零件經(jīng)常發(fā)生變形，而且經(jīng)常出現(xiàn)壁厚上厚、下薄，尺寸超差，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)反復(fù)摸索，總結(jié)出以下走刀規(guī)劃，對(duì)今后薄壁工件的高速加工有很好的借鑒意義。數(shù)控加工系統(tǒng)、薄壁結(jié)構(gòu)件材料、工件結(jié)構(gòu)、所選刀具等因素與走刀規(guī)劃密切相關(guān)，在確定走刀策略時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：（1）平滑過(guò)渡。加工過(guò)程中必須避免走刀方向變化過(guò)快，防止擠壓變形和局部過(guò)切，以減小刀具對(duì)薄壁件的沖擊，刀具運(yùn)動(dòng)軌跡過(guò)渡時(shí)圓滑，內(nèi)、外拐角時(shí)采用圓弧過(guò)渡，配合減速設(shè)置，可以有效避免銑削運(yùn)動(dòng)的急劇變化。（2）層優(yōu)先方式。在確定切削順序時(shí)，應(yīng)充分利用薄壁件自身剛性，分層銑削，以達(dá)到減小變形的目的。（3）等體積切削。以使加工過(guò)程中切削力恒定。（4）不重復(fù)路徑。在加工過(guò)程中，切削表面可能發(fā)生暫時(shí)變形，為免刀具走刀時(shí)劃傷加工面，刀具軌跡必須避免重疊。

5 結(jié)語(yǔ)

借助功能強(qiáng)大的PowerMILL軟件的高速加工CAM功能，生成薄壁工件的刀具軌跡路徑，很好地保證了產(chǎn)品的精度和交付進(jìn)度。針對(duì)薄壁工件剛性差、強(qiáng)度弱，加工工藝性差，易發(fā)生加工變形和切削振動(dòng)等情況，改變工件的裝夾方式，優(yōu)化冷卻策略，選擇合適的切削刀具，優(yōu)化工件的高速銑削加工工藝，探索控制薄壁件切削加工變形的方法，這對(duì)于提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量有顯著意義。

1 吳立軍.PowerMILL概述及加工流程［J］.模具工業(yè)，2006（9）

2 王亞輝.薄壁鋁合金高速銑削工藝尋優(yōu)及模擬仿真［J］.機(jī)床與液壓，2008（5）

3 翟萬(wàn)略.Delcam高速、高效、五軸高可靠加工及在線(xiàn)質(zhì)量控制技術(shù)［J］. 航空制造技術(shù)，2008（14）