基于Powermill軟件的圓雕工藝品五軸加工工藝

[摘" " 要]目前國內(nèi)五軸加工中心使用已經(jīng)較為普遍，許多院校師生已有數(shù)控三軸加工的基礎(chǔ)，但對數(shù)控五軸加工的編程工藝和刀具路徑了解甚少，主要是擔(dān)心操作失誤損壞設(shè)備而不敢使用。本文以圓雕工藝品五軸加工為例，分析了基于Powermill軟件的五軸加工思路及具體做法，介紹Powermill軟件不同刀具路徑的具體使用方法，以及仿真得出的加工效果。本文所述加工思路，可以作為大部分典型零件的五軸加工思路，為師生自學(xué)數(shù)控五軸加工提供參考。

[關(guān)鍵詞]Powermill;五軸加工;刀具路徑;工作平面;刀軸

[中圖分類號]TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

當(dāng)前，數(shù)控加工制造技術(shù)正向高速化、高精度化、高智能化、高柔性化、高自動化和高可靠性方向發(fā)展。我國制造行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級后，屬于高端數(shù)控加工設(shè)備的五軸聯(lián)動加工中心使用越來越普遍，企業(yè)面臨數(shù)控加工技術(shù)人才緊缺的情況。但是目前大多數(shù)院校的數(shù)控技術(shù)應(yīng)用或機械設(shè)計制造等專業(yè)仍以三軸加工教學(xué)為主，很多購置的五軸聯(lián)動加工中心閑置無人使用。主要原因是五軸數(shù)控機床精密、昂貴，學(xué)校配備的數(shù)量一般不多，且加工工藝和編程較為復(fù)雜，無相應(yīng)課程支撐，會用能用的教師較少，平時也不敢給學(xué)生使用，擔(dān)心損壞設(shè)備。Powermill是Aotudesk公司旗下一款專業(yè)的多軸高速數(shù)控加工CAM軟件，功能強大、入門容易，可以自學(xué)并用來對一些工藝品進(jìn)行編程。在仿真加工沒問題后，可以選用匹配所用機床的后處理文件生成NC程序上機加工。指導(dǎo)學(xué)生制作工藝品，可以很好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也能提升學(xué)生數(shù)控五軸加工的技術(shù)技能。

1 齊天大圣工藝品的工藝分析

各種工藝品模型可以通過網(wǎng)絡(luò)下載、自行設(shè)計或三維掃描逆向等方法獲得。工藝品齊天大圣模型如圖1所示，該工藝品毛坯大小為96mm×54mm×54mm。如果使用三軸機床加工，傳統(tǒng)做法只能將工件分為上下兩半，翻面加工。這樣加工會有很多特征無法加工出來。例如，手部位置是一個倒扣的姿態(tài)，因刀具和加工面是垂直的，所以無法加工。五軸聯(lián)動機床具備RTCP刀尖跟隨功能，實時計算刀尖位置。用數(shù)控編程軟件編制好多軸刀具路徑，加工時，根據(jù)輪廓特征，刀具上下移動的同時，工件會自動旋轉(zhuǎn)或擺動角度，使刀尖一直跟隨加工表面，而又能讓刀具避開干涉，完成加工。根據(jù)模型總體尺寸以及眼鼻、頭發(fā)和盔甲凹槽、圓弧等相關(guān)特征尺寸分析的結(jié)果，可以選擇Φ10mm的涂層平底刀，Φ6R3mm的涂層球頭刀和Φ4R0.3的錐度銑刀。

2 齊天大圣工藝品加工路線設(shè)計

因五軸加工的工件形狀一般都比較復(fù)雜，如果需要多次裝夾，很難保證重復(fù)定位的精度，相當(dāng)于放棄了五軸機床加工的便利性，增添操作的麻煩。為能一次裝夾就完成加工，常需要制作工裝夾具。經(jīng)分析，選擇在毛坯底座鉆孔攻牙，通過螺釘固定在夾具上，夾具用T型螺栓固定在轉(zhuǎn)臺上。擬采用的加工路線：①整體粗加工（定軸）→②整體半精加工（四軸）→③頭部精加工（五軸）→④身體部分精加工（五軸）→⑤手部細(xì)節(jié)精加工（五軸）→⑥切斷（定軸）。

3 具體路徑編制

3.1 整體粗加工（定軸）

按定軸加工的方式，將模型分為上下兩部分分別做粗加工：在Powermill軟件中導(dǎo)入模型，先新建一個X軸指向模型軸線、Z軸向上的工作平面，創(chuàng)建好一把Φ10mm的平底刀，設(shè)定轉(zhuǎn)速5000r/min，進(jìn)給速度1000mm/min;刀具路徑選擇模型區(qū)域清除，在彈出的對話框中，按順序先點毛坯頁面，選擇世界坐標(biāo)系，設(shè)置好工件毛坯，點剪裁頁面，設(shè)定z限界，z-1mm;模型區(qū)域清除頁面中選擇偏移所有樣式，余量0.5mm，行距7mm，下切步距1.5mm，切削方向任意;在偏移頁面，把保持切削方向的勾去掉，以減少抬刀;因采用多軸加工的方式，快進(jìn)移動安全區(qū)域選擇類型為球并計算，這樣無論工件如何擺動，刀具都會在球外部，避免撞刀;在切入切出和連接頁面中，粗加工切入項一般設(shè)置第一選擇為斜向進(jìn)刀，可進(jìn)一步設(shè)置傾斜角度為3，斜向高度為0.5，切入切出根據(jù)需要設(shè)置進(jìn)退刀時候的過渡刀路，連接項一般可以設(shè)置連接第一選擇為曲面上，第二選擇掠過;其余參數(shù)默認(rèn)不變，計算得出第一部分的粗加工刀具路徑;加工時，工件將按設(shè)定的工件平面坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)橫置，使刀軸垂直于加工面，做三軸聯(lián)動加工。

接著新建一個Z相反的工作平面，復(fù)制刀具路徑，進(jìn)入設(shè)置將工作平面改為新建的Z相反工作平面，計算即可得到另一部分粗加工的刀具路徑。實體仿真加工后得到模型，如圖2所示，已去除大部分材料，可以得出大致輪廓，但幾乎沒有細(xì)節(jié)特征。

3.2 整體半精加工（四軸）

工作平面保持不變，創(chuàng)建一把Φ6的球刀，轉(zhuǎn)速設(shè)置8000r/min，進(jìn)給速度2000mm/min;刀具路徑選擇四軸加工的旋轉(zhuǎn)精加工，旋轉(zhuǎn)精加工頁面設(shè)置X軸限界1-91，行距0.5mm，切削方式螺旋;計算得出繞著模型軸線旋轉(zhuǎn)的刀具路徑;加工時，刀軸垂直于加工面，工件繞著X軸旋轉(zhuǎn)，做四軸聯(lián)動加工。實體仿真加工后得到模型，如圖3所示。這時模型已基本成型，但仍有較多細(xì)節(jié)未加工出來。

3.3 頭部精加工（五軸）

由于工藝品脖子等處屬于倒扣部分，為了將模型細(xì)節(jié)雕刻出來，需要用五軸刀具路徑進(jìn)行細(xì)節(jié)精加工。頭部的形狀類似一個橢圓球面，可以選用精加工刀具路徑中的曲面投影精加工。先把模型導(dǎo)入UG、Powershape或Inventor等建模軟件上，繪制一個曲面，如圖4所示，在Powermill中把曲面導(dǎo)入模型，并給這個曲面創(chuàng)建一個層;創(chuàng)建一個新的工件平面，坐標(biāo)系原點在毛坯頂面正中心，Z軸向上;創(chuàng)建一把Φ4R0.3mm錐度銑刀，轉(zhuǎn)速12000r/min，進(jìn)給2000mm/min;選擇刀具路徑曲面投影精加工，投影方向向內(nèi)，公差0.01mm，行距0.1mm，參考線方向選擇V，螺旋。由于是多軸刀具路徑，要注意刀軸選項設(shè)置，可以選擇前傾/側(cè)傾;實體仿真加工后得到模型，如圖5所示，頭部細(xì)節(jié)已經(jīng)清晰可見。

3.4 身體部分精加工（五軸）

因身體部分同樣存在倒扣，仍需要用五軸刀具路徑加工。在工作平面和刀具不變的情況下，刀具路徑可以選擇直線投影精加工，將圓柱形參考線投影到模型。由于是凸圓柱，選擇投影向內(nèi)，角度增量0.1，參考線樣式選線性，雙向連接，剪裁設(shè)置方位角0～360°，高度設(shè)置開始-49，結(jié)束90，刀軸仍選擇前傾/側(cè)傾，計算得到刀具路徑，實體仿真加工后得到模型，如圖6所示。

3.5 手部細(xì)節(jié)精加工（五軸）

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)手臂部分及手掌部分未加工到位。類似這種局部需加工的情況，思路依舊是運用定軸加工的方法。新建一個工作平面，Z軸和手臂未加工部分的平面大致垂直，刀具不變;由于只加工手臂連接胸口的部分，要先畫一個邊界，把未加工部分框起來，刀具路徑可以選擇平行精加工，可以設(shè)置固定方向-30°，開始角左上，加工順序雙向連接，公差0.01mm，行距0.08mm，刀軸選擇垂直，計算得到刀具路徑;再復(fù)制此刀具路徑，鏡像一個邊界，選擇后重新計算即可得到另一部分刀具路徑，此部分完成;手掌未加工部分按同樣方法，即再次通過畫邊界運用平行精加工刀具路徑的方法進(jìn)行精加工，仿真結(jié)果如圖7所示，所有細(xì)節(jié)均已雕刻出來，工件加工完成。

3.6 切斷（定軸）

工件加工完成后，可以先在需要切斷的位置，繪制一條參考線，運用曲線加工策略中的2D曲線輪廓刀具路徑完成工件的切斷。選用Z軸向上的坐標(biāo)系，選擇已在模型底部位置繪制好的參考線，用Φ6的平底刀，設(shè)置刀具接觸點沿參考線，切削下限23mm，切削方向任意，設(shè)置毛坯深度為52mm，下切步距1mm，計算得出切斷的刀具路徑。

4 結(jié)束語

正確的加工工藝是所有加工的基礎(chǔ)。在基于Powermill軟件圓雕工藝品的五軸加工中，前期重點工作必須是考慮好如何裝夾，加工基本思路是先建立好工作平面，采用定軸方式開粗，然后針對不同的細(xì)節(jié)特征，選用適合的刀具路徑進(jìn)行精加工。其中，三軸聯(lián)動加工刀軸方式選擇垂直，多軸聯(lián)動加工刀軸方式根據(jù)實際情況選擇，同時注意選擇安全區(qū)域為球，避免撞刀;合適的刀具路徑和正確的參數(shù)可以提升加工效率和加工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[3] 楊宇輝，吳鵬，陳盛貴. 基于PowerMILL的球面圖案模型的五軸加工應(yīng)用[J]. 機電工程技術(shù)，2015（4）：4.

基金項目

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2020KY41009）

作者簡介

李軍壯（1983—），男，廣西馬山人，本科，工程師，主要研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化。