Pro/E在复杂曲面文字雕刻加工中的应用

田美霞，顾丽敏

(浙江经贸职业技术学院，浙江杭州310018)

当前机械制造行业竞争激烈，与制造业密切相关的航空航天、模具、汽车等现代工业领域的产品呈现多元化、复杂化和批量化，产品更新速度也加快，为在国内外市场中保持竞争力，需要不断地设计创新，改善加工工艺，采用先进的加工手段。

在现代工业产品加工的很多场合，都需要在复杂曲面零件的表面上雕刻文字、图像及沟槽类装饰特征等来显示工业产品的某种功效或者提高工业产品外在美观度，复杂曲面零件的雕刻加工已是机械制造行业常遇到的难题。

目前，市面上复杂曲面零件的雕刻加工大都采用专用CNC雕刻机和配套的专用雕刻软件来实现。CNC雕刻机虽然擅长雕刻加工，但是它只能做轻切削加工，雕刻加工的刀具也具有特殊性，无法加工硬度大的材料，这就造成了加工设备和产品的局限性。近年来，多轴数控加工中心得到了越来越广泛的应用，多轴加工使原本复杂零件的加工变得容易了许多。Pro/E有强大的实体造型功能和快捷高效的自动编程优势，使复杂产品开发变得简单化，扩大了数控加工设备在复杂曲面加工中的应用范围，深受广大制造企业的欢迎。因此，利用多轴数控加工中心结合Pro/E来进行复杂曲面的文字雕刻，将提高复杂曲面零件表面的加工质量和加工精度，同时也拓展了数控加工中心的产品加工范围，缩短了加工周期，提高了企业的竞争力和经济效益。

作者探讨了用Pro/E软件完成复杂曲面及图形文字的建模和加工仿真，并根据零件结构特点，分析和安排了曲面文字雕刻的数控加工工艺，具体分析了曲面文字建模和雕刻加工的难点及要解决的关键技术，并结合FANUC 5轴数控加工中心实现了曲面文字的雕刻。

1 复杂曲面文字雕刻手工编程难点

复杂曲面往往无法用具体的数学表达式描述，只有许多光滑连接的离散点的标注图纸，因此，复杂曲面文字雕刻靠生产经验手动操作或手工编程来实现难度大、效率低，产品质量和精度无法保证，无法满足客户的需求和批量生产。

2 Pro/E自动编程流程与关键问题

自动编程是从零件设计模型获得数控加工程序的全部过程，尤其适用于具有非圆曲线、列表曲面和组合曲面等形状复杂的零件。Pro/E数控模块提供了多种加工类型，用于复杂形状零件的粗加工和精加工，采用Pro/E自动编程能很好地解决复杂曲面文字雕刻的问题。

Pro/E能模拟数控加工的全过程，其加工流程依次为:创建CAD模型;分析图样和安排加工工艺;建立制造模型和制造数据库;设置加工方法，定义NC工序;演示刀具轨迹与加工仿真;利用后处理器生成NC代码，最后驱动机床。

在使用Pro/E进行自动编程时，需要注意以下两个问题:(1)正确地创建零件模型实体造型是自动编程首先需要完成的基本环节，是影响自动编程成败的基本因素;(2)材料、刀具、机床等工艺参数的设置是影响自动编程的关键问题。编程人员需结合实际工作经验，参考机床说明书和工艺手册来合理设定包括主轴转速、切削速度、背吃刀量等切削用量，否则难以在实际的生产中保证加工零件的质量，无法兼顾切削效率和零件加工成本，甚至会损坏刀具或机床，造成严重加工事故。

3 零件建模与加工

正确合理地创建零件CAD模型是生产合格零件的保证，在建模前，应先确定零件的主要特征，同时确定建立特征的先后顺序。

为了实现曲面文字的雕刻加工，需要在零件曲面上创建雕刻的文字图形。在Pro/E自动编程中，雕刻加工也称为刻模加工，主要是对凹槽修饰特征进行加工，刀具沿着凹槽修饰特征运动。具体操作如下:首先在Pro/E软件中零件模块下利用造型工具命令创建出空间自由曲面，再利用拉伸操作命令得到曲面零件模型，如图1所示;接着在零件模型的曲面上创建文字特征，即在曲面上添加修饰特征，以图1所示零件模型的底面为参考平面，新添加一个投影平面;在主菜单中依次选择“插入”/“修饰”/“凹槽”，在弹出的“特征参考”菜单项中，选择需要雕刻加工的曲面作为参照，选择刚才建立的投影平面作为草绘平面，单击工具栏“文字”图标，输入文字“机床与液压1973”并选择字体、大小和方向，调整文字的位置，完成建立凹槽修饰特征。曲面文字雕刻的设计模型如图2所示。

图1 曲面零件模型

图2 曲面文字雕刻模型

4 基于Pro/E的曲面文字雕刻加工

4.1 工件分析与工艺安排

(1)零件分析

该零件模型的上表面由一定斜度的不规则曲面和凹槽组成，其他底面均为平面。毛坯材料为45号钢，形状为100 mm×100 mm×40mm的平整长方体，六面平整。加工时，需对不规则曲面进行粗加工和精加工，对文字即凹槽部分进行雕刻加工。

(2)工件安装

将底面固定安装在机床上，一次装夹，完成全部工序的加工。

(3)数控加工工艺路线设计

在数控机床上加工零件时，以粗、精加工分开，先粗后精的原则来划分工序。该零件模型的数控加工分为曲面的粗加工、曲面的精加工、文字雕刻加工。曲面的粗加工采用切削类型为直线切割的曲面铣削加工方法来去除大部分零件加工余量。曲面的精加工采用切削类型为自由面等值线的曲面铣削加工方法来形成曲面零件的最终尺寸。曲面上的文字雕刻采用5轴雕刻的加工方法。数控加工工艺路线设计如表1所示。

表1 数控加工工艺路线设计

(4)刀具选择和切削参数设置

正确地选择加工刀具，合理地设置切削用量能提高数控机床的加工效率和加工质量，可以大大降低整个加工成本。在保证不过切的情况下，为减少换刀次数、提高加工效率，无论是粗铣曲面还是精铣曲面，都选用同一把硬质合金立铣刀。在文字雕刻加工时，刀具沿着凹槽修饰特征运动，刀具直径决定了切削的宽度，雕刻的深度由参数GROOVE_DEPTH控制，选用刀具半径不宜过大的平底立铣刀。根据经验和曲面文字雕刻零件特点，数控加工刀具及切削参数设置如下表2所示。

表2 数控加工刀具及切削参数

4.2 建立制造模型和制造数据库

在进行Pro/E自动编程的各项规划前，必须先建立制造模型和创建制造数据库，该数据库包括机床、刀具、夹具配置、刀具表等项目。具体操作步骤如下:(1)引入参照模型。选择下拉菜单“插入”/“参照模型”/“装配”，系统弹出“打开”对话框，选取图2所示零件模型，在弹出的文件放置菜单中，选择“缺省”放置以待加工;(2)创建工件。选择下拉菜单“插入”/“工件”/“自动工件”，单击操控板“选项”按钮，在“Y整体”中输入40，完成工件的创建;(3)制造设置。选择下拉菜单“步骤”/“操作”，在系统弹出的“操作设置”对话框中选择5轴铣削，完成机床设置，在“参照”选项组设置根据提示创建制造坐标系ACS1，在“退刀”选项组，选择制造坐标系ACS1为参照，输入偏移值10，完成退刀平面的创建。

4.3 加工方法设置和刀具轨迹演示

根据表1所示的曲面文字雕刻加工工艺路线设计和表2所示数控加工刀具及切削参数进行相应加工方法的参数设置。

具体操作步骤如下:

(1)粗铣曲面和精铣曲面。选择下拉菜单“步骤”/“曲面铣削”命令，打开“序列设置”菜单，依次选择“刀具”、“参数”、“曲面”、“定义切削”复选框，单击“完成”。在系统弹出的“刀具设定”对话框和“曲面铣削”对话框中设置刀具参数和基本加工参数。在系统弹出的“曲面拾取”菜单中，选取要加工的曲面，建立NC序列1曲面铣削。曲面的精加工与粗加工的大部分操作类似，只需修改一些参数，如定义切削方式、基本加工参数等来建立NC序列2曲面铣削。在菜单管理器中“NC序列”菜单中，选择“播放路径”/“屏幕演示”，演示刀具轨迹如图3所示。

图3 曲面的精加工刀具轨迹

(2)文字雕刻。选择下拉菜单“步骤”/“雕刻”命令，系统弹出“加工轴”菜单，选择“5轴”。接着在系统弹出的“序列设置”菜单中选择“刀具”、 “参数”、 “槽特征”复选框，单击“完成”。在系统弹出的“刀具设定”对话框和“开槽”对话框中，设置刀具参数和基本加工参数。在系统弹出的“选取 GRVS”菜单中，选取“机床与液压”特征，建立NC序列3开槽。演示刀具轨迹如图4所示，查看生成CL数据如图5所示。

图4 曲面文字雕刻的刀具轨迹

图5 查看CL数据

4.4 三维切削仿真检查及G代码生成

图6 曲面粗加工仿真

为了验证Pro/E软件所生成的刀具轨迹路线的合理性，必须对生成的曲面文字雕刻加工的刀具轨迹路线进行三维切削仿真检查。利用Pro/E提供的零件加工模拟功能，能够在计算机屏幕上进行工件材料去除的动态模拟、观察切削加工的全过程、检测工艺参数的设置是否合理。具体操作如下:在菜单管理器中“NC序列”菜单中，选择“播放路径”/“NC检查”，观察刀具切割工件的运动情况。如图6所示为在曲面粗加工动态仿真图。

三维切削模拟仿真校验无误后，设置相应后处理参数，生成数控机床可以识别的G代码文件，用记事本方式打开，稍做修改，将生成的粗加工、精加工、文字雕刻的NC代码依次输入到FANUC五轴数控加工中心机床。为确保安全，在加工中心加工前先进行试切加工，发现问题及时调整。确定无误后，最后进行数控加工。

与普通雕刻机加工比对显示:采用Pro/E的曲面文字雕刻加工效果好，加工表面质量高，文字雕刻精度高。

5 结论

以一个复杂曲面文字雕刻为例，利用Pro/E软件进行建模和数控加工仿真，并在FANUC五轴数控加工中心机床上加工得到实体零件，提高了曲面文字雕刻的加工精度和加工质量。在曲面文字雕刻加工中，采用了灵活实用的编程方案和可靠有效的数控加工工艺，从而保证零件加工质量和加工效率，拓展了数控加工中心的产品加工范围，使企业经济效益和生产水平得以提高。Pro/E软件解决了许多手工无法完成的复杂曲面零件程序的编制问题，缩短了零件的设计和加工制造周期，提高了零件的设计质量和精度。但如何对Pro/E软件产生的G代码指令进行优化，节省加工时间，提高加工效率，还有待于进一步研究。

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