大型雕塑曲面零件五軸聯(lián)動銑削加工

　　大型雕塑曲面零件的加工，多采用傳統(tǒng)的“砂型鑄造→手工鏟磨→立體樣板檢查”的工藝方法加工，由于立體樣板制造精度較低以及其幾何變形的影響，使該類曲面零件的加工精度難以提高。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使CAD/CAM技術(shù)有了長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了五軸聯(lián)動數(shù)控鏜銑床和一些優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，其中SDRC/CAMAND軟件在五軸聯(lián)動數(shù)控加工編程方面比較靈活。目前對大型雕塑曲面零件的加工，以采用大直徑面銑刀沿曲面參數(shù)線方向進(jìn)行加工為最佳加工方式，這種加工方式具有加工精度和加工效率高，零件表面質(zhì)量較好以及刀具切削狀態(tài)優(yōu)等特點。

　　一、雕塑曲面的三維造型技術(shù)

　　為了完成對曲面的數(shù)控加工編程，首先需要在計算機(jī)上造型出曲面的三維模型。雕塑曲面的設(shè)計數(shù)據(jù)通常以點陣數(shù)據(jù)描述，而曲面點陣數(shù)據(jù)的來源主要有兩種方式：一種是通過設(shè)計手段，由設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計理論，通過計算得到這種點陣數(shù)據(jù)，其又常常是按一定規(guī)則有規(guī)律給出，三維造型相對容易;另一種是通過對手工制作的木模原型或者實物，采用三維測量儀器測量得到曲面的點云數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)點陣分布沒有準(zhǔn)確的規(guī)律，曲面三維造型相對較難。所以，根據(jù)曲面原始數(shù)據(jù)點陣的不同情況，雕塑曲面的三維造型可分為規(guī)則點陣的曲面造型和不規(guī)則點陣的曲面造型。

　　1、規(guī)則點陣雕塑曲面的三維造型

　　規(guī)則點陣雕塑曲面是指曲面點陣數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照一定規(guī)律給出。通常，曲面數(shù)據(jù)點陣分為若干條參數(shù)樣條線節(jié)點數(shù)據(jù)，三維造型則采用NURBS曲面造型來完成所需雕塑曲面。下面描述在SDRC/CAMAND軟件中的造型步驟。

　　(1)把雕塑曲面原始點陣數(shù)據(jù)用“Pointset”功能生成點集(Pointset)，注意應(yīng)該按照每個參數(shù)樣條生成獨立的點集。

　　(2)利用“B-Spline”功能，選擇使用“Thru Points”和“Non-uniform”參數(shù)，然后直接選取所對應(yīng)的各樣條點集，生成構(gòu)造曲面所有的參數(shù)樣條。

　　(3)采用“Modeling”的“Surface”功能，執(zhí)行“Lofted Surface”子功能，按一定順序選擇每條樣條曲線后，點擊確認(rèn)，生成該雕塑曲面。

　　2、點云數(shù)據(jù)雕塑曲面的三維造型

　　點云曲面數(shù)據(jù)是指曲面點陣數(shù)據(jù)不是精確地按照一定規(guī)律給出，無法先生成出樣條曲線后，再造型曲面來得到較好的此類雕塑曲面模型。因此只有采用“點云數(shù)據(jù)造型曲面”功能，而在CAMAND中還沒有類似功能，實踐中我們借助I-DEAS中的“Fit Points to Surface”功能，把點云生成曲面，然后在I-DEAS軟件中轉(zhuǎn)換為CAMAND文件格式，以其作為數(shù)控編程用模型。

　　二、大型雕塑曲面數(shù)控加工工藝的設(shè)計

　　在實際生產(chǎn)制造中，要實現(xiàn)對大型雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工，首先應(yīng)解決曲面零件的裝夾找正方案，考慮如何確定工件零點、對刀點、加工用刀具方案以及詳細(xì)的加工順序等。

　　1、大型雕塑曲面數(shù)控加工的裝夾找正原則

　　對于一般大型雕塑曲面零件來說，其裝夾找正有一定的規(guī)律可循，所以經(jīng)過分析，大型雕塑曲面可以分為兩大類，其裝夾找正原則如下。

　　如果雕塑曲面零件上有平面、圓柱面等特征基準(zhǔn)面，則采用該平面的等特征面作為裝夾找正基準(zhǔn)，這樣可簡化找正過程，提高裝夾找正效率，保證曲面找正精度。

　　如果雕塑曲面全部由雕塑曲面組成，沒有確定的基準(zhǔn)，那么一般在曲面零件上鑄造或焊接上找正平面塊、銷孔或基準(zhǔn)銷等輔助找正基準(zhǔn)，利用大型曲面的三維測量技術(shù)手段，以及利用計算機(jī)軟件適配技術(shù)得到毛坯余量分布情況，來指導(dǎo)雕塑曲面零件的找正。

　　當(dāng)然，這兩種方式是以首先確定大型雕塑曲面零件的基準(zhǔn)，而后數(shù)控加工程序以找正基準(zhǔn)進(jìn)行加工為指導(dǎo)思想。如今，有的廠家也有另一種工藝方式。對于無確定基準(zhǔn)的大型雕塑曲面，將其直接自由放置在機(jī)床工作臺上，裝夾可靠后對曲面按一定網(wǎng)格分布進(jìn)行測點，然后將測點數(shù)據(jù)再處理，找出曲面在自由空間的位置關(guān)系，確保曲面的加工余量，調(diào)整加工坐標(biāo)系，對數(shù)控加工程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后再返回機(jī)床完成對此零件的加工。這種工藝方式，最大的優(yōu)點在于無需確定的基準(zhǔn)進(jìn)行裝夾找正，零件自由放置。但從另一方面來說，這種工藝方式，增加了機(jī)床加工輔助時間，處理的數(shù)據(jù)較多，也給生產(chǎn)組織帶來了困難。

　　2、大型雕塑曲面零件的數(shù)控加工刀具選擇

　　對于大型雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工用刀具，以采用大直徑面銑刀加工為佳。目前比較著名的刀具制造商有Sandvik、Ingersoll、Kennametal、Seco等，其中Sandvik的CoroMill 200系列圓刀片面銑刀，特別適合雕塑曲面零件的半精加工和精加工;Kennametal公司的220/221系列刀具具有耐沖擊和剛性好等優(yōu)點，適合粗加工快速大吃刀量加工。選擇刀具的直徑應(yīng)根據(jù)雕塑曲面零件的曲率大小來確定，原則是刀具半徑應(yīng)該小于雕塑曲面凹曲面的最小曲率半徑，但也不宜太小，否則將使加工效率降低。對于曲率半徑變化太大的雕塑曲面零件，也可以把整個零件劃分成不同區(qū)域，選擇不同直徑的刀具，以提高加工效率。

　　三、五軸數(shù)控加工刀位計算和仿真

　　雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工刀位計算方式在CAMAND軟件中有INTERP(插值)、NORMAL(法向)、TILT(傾斜)和TANGTO(切向)等多種方式，但對于大型雕塑曲面零件，最常用的是以TILT方式來加工，這種加工方式加工時的刀具軸和切削點曲面法矢成一定的前后傾角(Lead/Lag Angle)或側(cè)傾角(Right/Left Angle)。

　　1、五軸聯(lián)動數(shù)控加工刀位計算

　　在CAMAND軟件中，用TILT方式加工雕塑曲面零件，其刀位計算過程：首先選擇“Numerical Control”的“Flowline Surfaces”功能，“Flowline Surfaces”這種加工方式實際上就是沿曲面的參數(shù)線方向加工;其次設(shè)定刀位名稱(可用“New” 或“Rename”功能)，選擇加工坐標(biāo)系和起刀點，再輸入相應(yīng)的刀具參數(shù)(刀具直徑、刀具長度、切削刃形狀尺寸、切削參數(shù)等)，設(shè)置好進(jìn)出刀參數(shù)，選擇干涉檢查曲面及設(shè)定參數(shù)后，再點擊刀位計算功能，選擇加工曲面并定義切削方向以及刀軸控制方式TILT方式，一般設(shè)置加前傾角，即沿切削方向前傾一個2～10°的角度;最后完成該曲面的五軸聯(lián)動加工刀位計算。

　　2、切削仿真和機(jī)床仿真

　　對于大型雕塑曲面零件，由于毛坯造價高，而且為了機(jī)床、刀具和工裝的安全，在五軸聯(lián)動數(shù)控加工刀位計算完成后，必須進(jìn)行切削仿真和機(jī)床仿真，檢查刀位的正確性，最后得到的加工程序能用于實際生產(chǎn)制造。在CAMAND軟件中，有一套簡單的切削檢查和機(jī)床仿真，可滿足普通仿真要求。如果需要更精確地仿真工具，則應(yīng)采用更專業(yè)的CGTech公司的Vericut軟件。該軟件不但可進(jìn)行切削仿真和機(jī)床仿真，而且還有可以優(yōu)化刀位軌跡等特點。在這里僅簡單描述在CAMAND軟件中的仿真。

　　對于五軸刀位的切削仿真，可檢查和修正刀具在前序五軸刀位計算中的過切現(xiàn)象。一般，首先把被加工面渲染著色，然后用“Simulation”功能對刀位逐步模擬并檢查刀具的干涉情況，若有過切和碰撞發(fā)生，就必須重新計算或修改刀位。對于機(jī)床仿真，我們主要檢查NC銑頭(大型五軸龍門鏜銑床多是兩軸NC銑頭方式)與工件、夾具的干涉情況，因此，可以根據(jù)實際機(jī)床NC銑頭形狀及尺寸建立NC銑頭的三維模型，然后利用“Simulation”功能再加上NC銑頭進(jìn)行機(jī)床仿真，可以檢查出NC銑頭、刀具與夾具、工件的干涉情況。

　　四、五軸刀位的后置處理

　　在完成曲面的五軸聯(lián)動加工刀位計算后，還需通過后置處理技術(shù)來完成中間刀位文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能識別的G代碼程序。在CAMAND中的刀位文件是以刀尖點坐標(biāo)和刀軸矢量給出，那么后置處理就必須把刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成X、Y、Z、B、C坐標(biāo)值。根據(jù)特定機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床參數(shù)(如各坐標(biāo)軸行程，最大進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速等)設(shè)計后置處理器，然后利用CAMAND的Main NC 中的后置處理功能，把五軸刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)可執(zhí)行的G代碼程序。

　　大型雕塑曲面零件的五軸聯(lián)動加工技術(shù)可以有效解決這類零件加工精度和加工效率之間的矛盾，這種技術(shù)涉及到計算機(jī)輔助三維曲面造型，計算機(jī)輔助制造及機(jī)械加工工藝技術(shù)等多學(xué)科綜合技術(shù)。