基于PowerMILL的鼎模型五轴数控加工

杨龙

（龙岩技师学院，福建龙岩 364000）

0 引言

鼎是我国青铜文化的代表，历经千年发展，从烹饪之器发展为传国重器。其文化内涵深厚，也有着极高的艺术审美价值。图1所示的三足两耳鼎是由底座、鼎足、上下腹部、左右鼎耳、内型腔及圆槽等结构特征构成，各曲面特征间平滑过渡。整体结构比例合理，古朴大方，型制饱满。其结构具有多复杂曲面、镂空等特征，不利于多次装夹加工。本文介绍以PowerMILL软件为工具，采用五轴机床一次装夹完成鼎加工的方法。

1 结构及加工难点分析

分析图1可知，该模型底座是一圆台，圆台上方圆周均布着3个鼎足，3个鼎足支撑鼎主体质量，鼎足与底座、下腹部光滑过渡。鼎上腹部呈锥形，对称分布两鼎耳，相邻90°对称分布两凹槽。内型腔侧面与铅垂面呈一角度（负角面），呈倒扣形状，侧面与底面曲面光滑过渡。

图1 鼎结构

1.1 内型腔加工

内腔呈倒扣形状，倒扣类零件的加工一般有两种方式。

1）T形槽刀加工。采用T形槽刀加工倒扣侧壁时，T形槽刀的圆弧刀尖点与侧壁的角度在加工过程中是固定的，如图2所示。难以保证切削时处于最佳切削点。不同的倒扣角度及型腔深度对刀具的直径和刀具的长度也有不同的要求，需要定制不同规格的T形槽刀具，且刀具的刚性较差，加工效率低，一般用于加工开度大、负角小的场合[1]。

图2 T形槽刀加工模式

2）五轴机床加工。3+2定位加工倒扣侧壁时，依据负角的大小加工前A轴先偏摆一定的角度，切削刀具固定在一个倾斜的位置，不同加工区域的法矢方向锁住两个进给轴，多次重新定位完成加工，如图3所示。采用该加工方式刀具的伸长可灵活调整，加工刚性好，加工效率高。

图3 3+2定位加工模式

1.2 3个鼎足加工

3个鼎足结构特征相同，呈圆周阵列，加工空间狭小，若连续完整加工单个鼎足会与其它鼎足发生干涉。加工前先对曲面作分割处理，运用PowerShape软件或借助于其它CAD软件分割曲面，将鼎足划分8个加工区域。其中鼎足与鼎腹圆弧过渡处分割为5～8四个加工区域，如图4所示。加工区域8刀具需伸入鼎腹下方，长度伸出较长，加工刚性差，易产生振动。

图4 鼎足分割

1.3 鼎腹底面与底座上表面

受3个鼎足结构特征的影响，鼎腹底面与底座上表面无法一次加工成形，分3个区域加工。先绘制参考线，再运用曲线编辑器将参考线分为4段（过程略）。生成一个区域刀具路径后旋转120°复制其它2个区域刀具路径。腹底参考线如图5所示，底座参考线如图6所示。

图5 腹底参考线

图6 底座参考线

2 工艺编排

依据先粗后精、先主后次和先面后孔的加工原则[2]，基于上述关键区域的工艺分析，确定加工顺序为：鼎内部区域加工→整体开粗鼎外部区域→二次开粗鼎外部区域→分别精修不同加工区域。鼎加工涉及多种加工策略，如表1所示。

表1 工艺编排

2.1 外轮廓整体开粗

毛坯规格为φ120×150 mm 6061铝材。根据三鼎脚圆周匀布的结构特征，采用“3+2”定轴加工方式开粗。水平方向新建3个加工坐标系，两个坐标系分别绕X轴旋转120°依次生成粗加工刀具路径。

1）创建坐标系1，勾画边界1。选用模型区域清除加工策略，在剪裁对话框中选择创建的边界1，勾选Z限界最小值，在框中输入“-2.0”数值。径向余量“0.15”，轴向余量“0.5”，在切入对话框中第一选择设定为“斜向”，最大左斜角“3.0”，斜向高度“1.0”，勾选应用约束，距离＞“15.0”。连接对话框中，第一选择设定为“曲面上”，勾选应用约束，距离＞“15.0”。单击确定按钮。生成图7所示的刀具路径图。创建残留模型，将轮廓开粗1刀路增到残留模型。

图7 刀具路径

2）创建坐标系2（旋转120°），选用模型区域清除加工策略，重复开粗1步骤，选择残留加工—残留模型1，生成图8所示的刀具路径2。将轮廓开粗2刀路增到残留模型。

3）创建坐标系3（旋转240°），选用模型区域清除加工策略，重复开粗2步骤，生成图8所示的刀具路径3。仿真结果图9所示。

图8 刀具路径

图9 仿真结果

2.2 鼎足精加工

2.2.1 生成刀具路径

以加工区域8为例，在曲面精加工策略中，选用φ6R3球头刀。行距设定为“0.2”，参考线方向为“V”，加工顺序为“双向”，开始角“最大U最大V”。刀轴为“朝向曲线”，参考线为“1”，固定角度为“仰角”，角度“-10.0”,安全区域类型为“圆柱”，下切半径“50”，单击“计算”。单独初次切入为“曲面法向圆弧”，角度“90.0”，半径“2.0”，单击“最后切出与初次切入相同按钮”，连接“直”，勾选应用约束＜“2.0”。开始点“第一点安全高度”。单击计算按钮。自动生成刀具路径。各曲面加工角度不同，需绘制不同的参考线，在曲面垂直投影方向绘制即可。

2.2.2 旋转复制刀具路径

右键单击刀具路径，在弹出的对话框中选编辑—变换—多重变换—圆形—轴在激活工作平面。旋转角度为120°，单击接受按钮，旋转复制刀路2、刀路3，如图10所示。其它鼎足区域加工刀路的操作方法亦是如此，结果如图11所示。

图10 复制刀路

图11 鼎足刀路

2.3 底座上表面精加工

激活图6底座参考线，单击右键按钮，选择编辑—镶嵌参考线。在流线精加工策略中，选用φ6R3球头刀，镶嵌参考线选择图6所示的参考线，单击交互选择策略参考线段，在曲线配置里调整切削方向，如图12所示。

图12 调整参考线

行距设定“0.2”，刀轴设定“朝向曲线”，选择图12所示的刀轴参考线，固定角定为仰角，角度“20°”。初次切入与最后切入切出均为“法向圆弧”，角度“90°”，半径“1.0”。连接为“圆形圆弧”，勾选应用约束选项＞30.0，单击确定按钮。旋转复制刀具路径参照鼎足精加工的操作，结果如图13所示。由于篇幅所限其它轮廓精加工不展开论述。

图13 底座刀路

3 仿真及加工

3.1 仿真加工

生成所有刀位轨迹后，采用哈挺XT630五轴加工中心的专用后置处理将刀位轨迹转换成数控系统可以识别的NC程序，在VERCUT数控仿真软件中进行多工位翻面加工模拟仿真[3]，对刀位轨迹安全性进行检查，主要检查是否会发生干设，结果如图14所示。

图14 仿真加工

3.2 夹具设计

鼎模型属异形体，难以直接装夹。为保证外形美观，需设计夹具辅助加工。夹具设计如图15所示。将夹具与零件安装，用4个M8的螺杆将鼎毛坯紧固夹具上，整体部件安装到5轴机床上进行加工。

图15 夹具设计

3.3 机床加工

在验证安全无过切的情况下，将NC程序导入机床进行数控加工，图16为鼎模型粗加工。检测实际加工结果所有部位的尺寸均加工合格，如图17所示。

图16 粗加工

图17 加工合格

4 结语

本文分析了鼎模型的结构特点，指出该模型的加工难点及具体的解决方法。设计了专用的夹具，编排了合理的加工工艺，利用PowerMill软件的多轴加工丰富策略的优势，快速生成加工轨迹。在VERICUT数控仿真软件里模拟仿真后确保刀位轨迹安全性，最后运用哈挺XT 630五轴五联动加工中心完成了鼎模型加工，加工效果良好，对同类零件的五轴加工具有一定的借鉴意义。