1 引言

　　在航空航天、汽車零件的制造中，已經(jīng)大量采用了表面為自由曲面的零件和模具，外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對其加工提出了更高的要求，現(xiàn)在多使用五軸加工中心高速銑削加工來完成。五軸加工比一軸有更多的自由度，對自由曲面的適應(yīng)能力強(qiáng)．能夠采用大的刀具，甚至平底刀進(jìn)行自由曲面的加工。因此，五軸加工技術(shù)在目前乃至將來有著更為廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)編程技術(shù)在五軸加工技術(shù)中起關(guān)鍵性作用，因?yàn)榈毒哕壽E的工藝排布、刀具夾頭與工件或與工裝夾其之間的干涉檢查、毛坯殘留請的識別，都由軟件自動(dòng)完成，編程人員無需經(jīng)過繁瑣的計(jì)算過程，就町直接得到所需要的加工程序，大大提高了加工效率，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，如UG、Pro/E、CimatronE等軟件，本文豐要針對CimatronE軟件中五軸加jI：技術(shù)在自由曲面加工過程中的應(yīng)用做一剖析。

2 自由曲面

　　特征造型在當(dāng)今的造型技術(shù)中占主導(dǎo)地位，其研究內(nèi)容基本以規(guī)則形狀為主。目前，白南曲面設(shè)計(jì)已經(jīng)成為研究主題。通過非有理B樣條表示法，在很多CAD系統(tǒng)中可以利用一系列控制點(diǎn)來逼近和表示自由曲面。如CimatronE、UGNX、Pro／E等。在自由曲面造型過程中，常用的方法豐要有Bezier曲面、Coons曲面和B樣條曲而三類。由于NURBS曲面方便靈活，具有強(qiáng)大的形狀描述能力。被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在STEP(工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換)標(biāo)準(zhǔn)中定義為描述產(chǎn)品形狀的主要數(shù)學(xué)方法。

3 CimatronE五軸加工技術(shù)

　　CimatronE是目前市場上應(yīng)用較為廣泛的CAD／CAM軟件之一，它為操作者提供了高斂的加工工具包。通過生成無過切的刀具加工路徑。生產(chǎn)出要求高精度表面質(zhì)量的復(fù)雜零件，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。CimatronE數(shù)控五軸產(chǎn)品包含有豐富的五軸粗加工和精加工策略；可以避免刀頭和刀柄系統(tǒng)在加工時(shí)同零件、毛坯或機(jī)床發(fā)生干涉碰撞。同時(shí)具有強(qiáng)大的材料去除功能和基于機(jī)床的全仿真功能。

　　(1)CimatronE擁有豐富的五軸加工類型：五軸聯(lián)動(dòng)加工、五軸定位加工、五軸傾斜加工、五軸裁切加工等。

　　(2)CimatronE擁有豐富的多軸控制策略：依曲面法線方向、相對于切削方向傾斜、與法線成角度傾斜、與固定軸成角度傾斜、繞軸旋轉(zhuǎn)、通過外點(diǎn)傾斜、通過曲線傾斜、平行于曲線傾斜、通過內(nèi)點(diǎn)傾斜等。此外，用戶還可做相應(yīng)輔助面來控靜j刀軸的方向。

　　(3)CimatronE的五軸聯(lián)動(dòng)切削策略涵蓋了從粗加工、精加工、細(xì)部加工、五軸鉆孔以及多軸線加工的帽關(guān)范疇，支持各種類型的刀具．包括錐角刀具、棒糖式刀具和T形銑刀等。

　　(4)CimatronE提供了強(qiáng)大、完善的碰撞及干涉檢查功能，可以實(shí)現(xiàn)刀具本身、刀柄和多臺階的夾頭與零件、毛坯、夾具以及機(jī)床工作臺的干涉檢查，生成安全順滑的刀具路徑。

　　(5)五軸刀具路徑需通過特殊的后處理器轉(zhuǎn)化成機(jī)床所能接受的NC代碼格式，CimatronE針對五軸后處理有GPP和IMS兩種模塊，方便處理出任何類型的機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的多軸后處理器。

4 基于Ci rrlatronE實(shí)現(xiàn)自由曲面的五軸加工實(shí)例

　　4.1 實(shí)例分析

　　整體葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響很大，其加工成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從葉輪(如圖1)的結(jié)構(gòu)來看，其葉片型面部分為復(fù)雜曲面，各部分的曲率、扭轉(zhuǎn)變化較大。作為動(dòng)力裝置的重要部件，零件本身的精度和質(zhì)量有很高的要求。在加工葉輪的過程中不儀要保證葉片表面的加丁軌跡能夠滿足幾何準(zhǔn)確性的要求，還要在實(shí)際加工中注意軌跡規(guī)劃以保證加工的質(zhì)量。整體葉輪進(jìn)行五軸加工，其粗精加工銑削方式和刀具軌跡策略、粗精加工工序余量的合理安排、切削工藝參數(shù)的合理選擇對于提高產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)最是至關(guān)重要的。本文儀對單個(gè)葉片的數(shù)控編程進(jìn)行分析。

　　4.2 加工方案

　　根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求，設(shè)計(jì)基本加工工藝流程為：(1)車削加工回轉(zhuǎn)體的基本形狀；(2)開粗加工流道部分；(3)精加工流道部分；(4)葉片精加工；(5)對倒圓部分進(jìn)行清根處理。

　　4.3 程序編制與數(shù)控仿真

　　4.3.1 定義加工坐標(biāo)系、建立刀具庫和選擇刀路軌跡

　　為了使編程人員系統(tǒng)而方便地管理產(chǎn)品的整個(gè)數(shù)控加工過程，在編程前應(yīng)先定義加工坐標(biāo)系，本實(shí)例加工坐標(biāo)系設(shè)置在頂而中心處。刀路軌跡選擇5軸。建立刀具庫是根據(jù)加工中心刀具庫的刀具以及加工曲而所要選用的刀具種類，建立一個(gè)刀具庫，把刀具的有關(guān)參數(shù)，如刀具類型、刀尖類型、刀具直徑、切削刃長度、刀長、刀號以及夾頭的直徑、高度等輸入刀具庫中。

　　創(chuàng)建零件是為了在進(jìn)行剩余毛坯檢查以及高級仿真校驗(yàn)時(shí)與產(chǎn)品進(jìn)行比較，便于編程人員及時(shí)對刀位軌跡進(jìn)行調(diào)整。創(chuàng)建毛坯是軟件計(jì)算生成刀位軌跡的基礎(chǔ)，CimatroE軟件提供了豐富的創(chuàng)建毛坯方法，比如曲面、輪廓、矩形、限制盒、多軸毛坯等，本實(shí)例選擇葉片的3個(gè)曲面作為毛坯。

　　4.3.2 流道二次開粗與精加工

　　針對該葉輪單個(gè)葉片形面加工的解決方案．開粗加工采用5軸航空銑，刀具選擇1號錐形環(huán)形刀，曲而路徑設(shè)置為兩曲線之間仿形銑，切削類型設(shè)置為取決于切削數(shù)饋。切削數(shù)量為3，切削方式為順時(shí)針單一路徑，選取葉片外側(cè)邊緣作為第一曲線、內(nèi)側(cè)邊緣作為第二曲線、兩葉片之間曲面為導(dǎo)動(dòng)曲面定義加工幾何體?？紤]到利用刀具側(cè)刃進(jìn)行加工，此時(shí)需要對刀軸矢饋進(jìn)行合理的控制，本實(shí)例采用根據(jù)切削方向傾斜，這樣刀其沿著曲面形狀的自然走向產(chǎn)生刀具路徑，用這樣的刀具路徑加工出來的零件更加光滑，考慮到切削刀具的錐角，在切削方向一傾斜角設(shè)置為85°。選擇導(dǎo)動(dòng)曲面作為第一干涉檢查曲面，這種情況的應(yīng)用乇要為了解決扭曲導(dǎo)動(dòng)面在被加工后與刀具發(fā)生干涉的現(xiàn)象，再選擇兩葉片之間曲面作為第二干涉檢查曲面。在進(jìn)、退刀中設(shè)置為使用宏指令，宏程序類型設(shè)置為圓弧相切，這樣¨丁以對刀路軌跡的進(jìn)刀、退刀進(jìn)一步控制。在粗加工中的多行開粗中分別定義層數(shù)與間距進(jìn)而定義加工刀路，這里的間距是兩層之間的3D距離。在這里也可以定義精加工刀路，使刀路之間的距離為0.5mm。通過CimatronE計(jì)算得出加工刀位軌跡。流道精加工與開粗加工類似，刀具選擇2號刀即可。

　　4.3.3 葉片精加工

　　葉片精加工選擇3號球頭刀，曲面路徑設(shè)置為兩曲面之間仿形銑，切削方式為由內(nèi)向外雙向銑削。兩葉片相對曲面分別設(shè)置為第一曲面與第二曲面、兩葉片之間曲面設(shè)置為驅(qū)動(dòng)曲面定義加工幾何體。在兩葉片外邊緣間建立曲線，以空間的輪廓對曲面加工軌跡進(jìn)行限制。使軌跡在限制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行加工，進(jìn)而控制刀具的軌跡范圍，刀軸設(shè)置為通過曲線傾斜，曲線靠近類型為靠近點(diǎn)。選擇刀具切削刃參與干涉檢查．同時(shí)選擇導(dǎo)動(dòng)曲面和檢查曲面，檢查曲面分別為兩葉片的內(nèi)側(cè)曲面。在進(jìn)、退刀中設(shè)置為使用宏指令，宏程序類型設(shè)置為垂贏切向半徑，所有切片之間連刀都采用混合樣條線光滑連接，這樣可以對刀路軌跡的進(jìn)刀、退刀進(jìn)一步控制。通過CimatronE計(jì)算得出葉片精加工刀位軌跡。

　　4.3.4 清根加工

　　清根加工是對于精加工中無法加工到的局部區(qū)域的細(xì)部加工，刀具半徑應(yīng)小于曲面的曲率半徑，選擇5軸加：r中的葉片清根功能可以完成清根銑削。

　　4.3.5 仿真檢驗(yàn)

　　在生成刀路軌跡后，通過切削模擬可以高效率地檢查程序的正確性，同時(shí)也i叮以預(yù)知本程序加工后的毛坯形狀，為后續(xù)加工刀具路徑編制提供相對直觀的參考。同時(shí)也可以采用檢驗(yàn)與零件進(jìn)行比較。這樣可以清楚地看到零件未加工到位的區(qū)域或過切情況。

　　4.3.6 后置處理

　　經(jīng)模擬檢驗(yàn)所有的加工程序正確后，可以進(jìn)行后置處理以生成機(jī)床能識別的NC代碼，但應(yīng)該注意的是不同的機(jī)床控制器對程序的要求是不同的，某些指令町能會有所區(qū)別，另外包括可以接受的數(shù)據(jù)范圍等也有所區(qū)別，所以在后處理前應(yīng)先確認(rèn)所用的后置處理器與機(jī)床是否踞配。選擇程序進(jìn)行后置處理，后處理完成之后系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)程序文件，使用記事本打開即可以看到NC程序。

5 總結(jié)

由于五軸加工能夠?qū)ψ杂汕孢M(jìn)行高精度加工通過CimatronE五軸加工包。編程人員可以控制加工工藝的每一個(gè)方面，比如：刀軸方向、安全區(qū)域、進(jìn)退刀方式、層間或行間的連接策略、避免碰撞和干涉以及不同加工過程的連接方式等。利用其優(yōu)化的加工策略，能夠處理各種幾何形狀的產(chǎn)品，編寫出安全高效的多軸加工路徑。