蜘蛛模型加工工藝與數(shù)控仿真加工的優(yōu)化研究

呂彎彎

（河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 河南 鄭州 450042）

0 引 言

隨著我國(guó)工業(yè)水平的快速發(fā)展，制造行業(yè)產(chǎn)生了一系列高端制造裝備，如五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、車銑復(fù)合加工中心、3D打印機(jī)、掃描儀等高精度設(shè)備，這些設(shè)備主要用于加工生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量、高性能、曲面復(fù)雜的零部件。加工復(fù)雜的零部件需要擬訂合理的加工工藝[1]，選擇合適的切削參數(shù)、加工策略等為后續(xù)加工做好準(zhǔn)備。

某蜘蛛模型由于曲面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用正向建模獲取蜘蛛的三維模型，難度大，尤其是其腿部、觸角位置的曲面，需利用三維掃描儀獲取蜘蛛模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1（a）所示。經(jīng)過Wrap 軟件、Geomagic Design X 逆向軟件[2]獲取其三維造型，如圖1（b）所示，該方式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)和各種競(jìng)賽中。

圖1 蜘蛛模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)與建模

1 工藝分析與加工工序以及關(guān)鍵工藝參數(shù)

1.1 工藝分析

蜘蛛模型加工屬于工藝品雕刻類加工，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工方式接近鏤刻加工，因此在加工過程中會(huì)出現(xiàn)較多干涉[3]和過切問題，這是影響加工安全和加工質(zhì)量的主要因素。為解決加工可能出現(xiàn)的問題，在加工前對(duì)蜘蛛模型進(jìn)行處理，將蜘蛛頭、尾、腳、腿等位置設(shè)置強(qiáng)度支撐（工藝支撐），以保證在鏤銑過程中蜘蛛模型剛性弱的部位具有足夠的強(qiáng)度；其次是蜘蛛模型的裝夾問題，選用規(guī)格φ300 mm×60 mm、型號(hào)7075 的鋁合金作為毛坯料，結(jié)合蜘蛛模型的加工工藝，裝夾時(shí)毛坯需立式裝夾，因此需要制作專用夾具[4]。為了實(shí)現(xiàn)毛坯立式裝夾，需在夾具體上表面鉆削4個(gè)定位孔，同時(shí)毛坯底面也鉆削4 個(gè)相同位置的定位孔，使用螺栓連接進(jìn)行定位裝夾，裝夾效果如圖2所示。

圖2 毛坯裝夾

根據(jù)蜘蛛模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定的加工工序：粗加工蜘蛛模型腹部→粗加工蜘蛛模型背部→半精加工蜘蛛模型腹部→半精加工蜘蛛模型背部→精加工蜘蛛模型腹部→精加工蜘蛛模型背部→精加工蜘蛛模型腿部→精加工蜘蛛模型頭部及肚子。

1.2 加工工序及關(guān)鍵工藝參數(shù)

蜘蛛模型曲面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用DMU85 Monobiock 五軸加工中心加工。經(jīng)分析，粗加工和半精加工均采用3+2定向[5]方式完成，將蜘蛛模型腹部及背部作為定向加工的2 個(gè)主要加工面，需要根據(jù)蜘蛛模型整體形狀建立1 個(gè)分型面，將蜘蛛模型背部與腹部分開，以方便兩面定向加工。精加工及清角加工采用4+1 定向加工與五軸聯(lián)動(dòng)加工完成，蜘蛛模型加工工藝如表1所示。

2 數(shù)控加工工藝的制定與數(shù)控仿真

2.1 數(shù)控加工工藝的制定

（1）毛坯基準(zhǔn)面的加工。選用“平面銑削加工策略”進(jìn)行基準(zhǔn)面的粗、精加工，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行平面加工，行距設(shè)為10 mm，生成的刀具軌跡如圖3所示。

圖3 毛坯基準(zhǔn)面粗加工與精加工刀具軌跡

（2）蜘蛛模型腹部、背部的粗加工。選用“模型區(qū)域清除加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行區(qū)域粗加工，行距設(shè)為1 mm，生成的刀具軌跡如圖4所示。

圖4 蜘蛛模型腹部與背部的粗加工刀具軌跡

（3）蜘蛛模型腹、背部的補(bǔ)加工。選用“模型殘余區(qū)域清除加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行補(bǔ)加工，行距設(shè)為1 mm，生成的刀具軌跡如圖5所示。

圖5 加工蜘蛛模型腹部與背部的補(bǔ)加工刀具軌跡

（4）蜘蛛模型腿部補(bǔ)加工。選用“等高精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行腿部半精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖6所示。

圖6 蜘蛛模型腿部補(bǔ)加工刀具軌跡

（5）蜘蛛模型腹部精加工。選用“螺旋線加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行腹部精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖7所示。

圖7 蜘蛛模型腹部精加工刀具軌跡

（6）蜘蛛模型尾部精加工。選用“曲面精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行尾部精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖8 所示。

圖8 蜘蛛模型尾部精加工刀具軌跡

（7）蜘蛛模型背部精加工。選用“放射精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行背部精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖9所示。

圖9 蜘蛛模型背部精加工刀具軌跡

（8）蜘蛛模型觸角精加工。選用“投影精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行觸角精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖10所示。

圖10 蜘蛛模型觸角精加工刀具軌跡

（9）蜘蛛模型腿部精加工。選用“投影精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行腿部精加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖11所示。

圖11 蜘蛛模型腿部精加工刀具軌跡

（10）蜘蛛模型腿部補(bǔ)精加工。選用“三維偏置精加工策略”均勻去除余料，使用A、C軸定向X、Y、Z軸進(jìn)行腿部補(bǔ)加工，行距設(shè)為0.5 mm，生成的刀具軌跡如圖12所示。

圖12 蜘蛛模型腿部補(bǔ)精加工刀具軌跡

2.2 數(shù)控仿真及優(yōu)化

通過PowerMill 軟件生成相應(yīng)的刀具軌跡，選擇適合DMU85MonoBllock 五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的后置處理文件，生成NC 數(shù)控代碼。將數(shù)控NC 代碼導(dǎo)入VERICUT 數(shù)控仿真[6]軟件進(jìn)行虛擬仿真加工，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行程序優(yōu)化，數(shù)控加工仿真流程如圖13所示。

圖13 數(shù)控加工仿真流程

VERICUT 仿真軟件不僅具有現(xiàn)場(chǎng)虛擬仿真功能，還具有數(shù)控程序再優(yōu)化[7-9]的功能。VERICUT 軟件還提供了程序?qū)Ρ裙δ堋⒘D表[10]顯示功能、節(jié)省計(jì)算器功能。

（1）程序?qū)Ρ裙δ埽焊鶕?jù)左右程序行顯示的顏色，區(qū)分優(yōu)化程序行，如圖14所示，優(yōu)化程序行的進(jìn)給速度、依據(jù)解析度距離參數(shù)，將一條程序行分為幾條程序行，提高加工軌跡的精度。

（2）力圖表顯示功能：生成相應(yīng)的因素與加工時(shí)間的力圖表，圖15所示為最大屑厚與時(shí)間的力圖表，可以對(duì)力圖表進(jìn)行放大和縮小操作。

圖15 最大屑厚與時(shí)間力圖表

（3）節(jié)省計(jì)算器功能：根據(jù)原始程序與優(yōu)化后的程序?qū)Ρ?，設(shè)置相應(yīng)的對(duì)比參數(shù)，計(jì)算節(jié)省時(shí)間和成本，如圖16所示。

圖16 節(jié)省計(jì)算器

優(yōu)化前后的加工時(shí)間對(duì)比如表2 所示，優(yōu)化后的程序縮短了加工時(shí)間，尤其精加工復(fù)雜曲面時(shí)更加明顯，在精銑頭部和肚子時(shí)，優(yōu)化率[11]達(dá)到了53.59%。通過圖14對(duì)比優(yōu)化前后的程序，在空走刀程序行位置，會(huì)增加1個(gè)空走刀進(jìn)給率，提升了空走刀的效率，會(huì)將程序更加細(xì)化，增加程序段，刀具步進(jìn)距離更加細(xì)化，提高了加工精度。

表2 優(yōu)化前后工時(shí)對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

通過PowerMill 軟件對(duì)蜘蛛模型進(jìn)行自動(dòng)編程，在VERICUT數(shù)控仿真軟件中進(jìn)行程序優(yōu)化，最后進(jìn)行實(shí)體加工，加工的蜘蛛模型符合其精度要求，如圖17所示，表明該加工模式既可以提高零件的加工精度、減小刀具的磨損，又能提高機(jī)床的利用率、縮短工件加工時(shí)間和穩(wěn)定工件的加工質(zhì)量。

圖17 蜘蛛模型加工實(shí)物