蜘蛛模型加工工艺与数控仿真加工的优化研究

2023-10-29吕弯弯

模具工业 2023年10期

吕弯弯

（河南应用技术职业学院机电工程学院，河南郑州 450042）

0 引言

随着我国工业水平的快速发展，制造行业产生了一系列高端制造装备，如五轴联动机床、车铣复合加工中心、3D打印机、扫描仪等高精度设备，这些设备主要用于加工生产高精度、高质量、高性能、曲面复杂的零部件。加工复杂的零部件需要拟订合理的加工工艺[1]，选择合适的切削参数、加工策略等为后续加工做好准备。

某蜘蛛模型由于曲面结构复杂，采用正向建模获取蜘蛛的三维模型，难度大，尤其是其腿部、触角位置的曲面，需利用三维扫描仪获取蜘蛛模型的点云数据，如图1（a）所示。经过Wrap 软件、Geomagic Design X 逆向软件[2]获取其三维造型，如图1（b）所示，该方式已经被广泛应用于企业生产和各种竞赛中。

图1 蜘蛛模型点云数据与建模

1 工艺分析与加工工序以及关键工艺参数

1.1 工艺分析

蜘蛛模型加工属于工艺品雕刻类加工，由于其结构特点，加工方式接近镂刻加工，因此在加工过程中会出现较多干涉[3]和过切问题，这是影响加工安全和加工质量的主要因素。为解决加工可能出现的问题，在加工前对蜘蛛模型进行处理，将蜘蛛头、尾、脚、腿等位置设置强度支撑（工艺支撑），以保证在镂铣过程中蜘蛛模型刚性弱的部位具有足够的强度；其次是蜘蛛模型的装夹问题，选用规格φ300 mm×60 mm、型号7075 的铝合金作为毛坯料，结合蜘蛛模型的加工工艺，装夹时毛坯需立式装夹，因此需要制作专用夹具[4]。为了实现毛坯立式装夹，需在夹具体上表面钻削4个定位孔，同时毛坯底面也钻削4 个相同位置的定位孔，使用螺栓连接进行定位装夹，装夹效果如图2所示。

图2 毛坯装夹

根据蜘蛛模型结构特点制定的加工工序：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→精加工蜘蛛模型头部及肚子。

1.2 加工工序及关键工艺参数

蜘蛛模型曲面结构较为复杂，采用DMU85 Monobiock 五轴加工中心加工。经分析，粗加工和半精加工均采用3+2定向[5]方式完成，将蜘蛛模型腹部及背部作为定向加工的2 个主要加工面，需要根据蜘蛛模型整体形状建立1 个分型面，将蜘蛛模型背部与腹部分开，以方便两面定向加工。精加工及清角加工采用4+1 定向加工与五轴联动加工完成，蜘蛛模型加工工艺如表1所示。

2 数控加工工艺的制定与数控仿真

2.1 数控加工工艺的制定

（1）毛坯基准面的加工。选用“平面铣削加工策略”进行基准面的粗、精加工，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行平面加工，行距设为10 mm，生成的刀具轨迹如图3所示。

图3 毛坯基准面粗加工与精加工刀具轨迹

（2）蜘蛛模型腹部、背部的粗加工。选用“模型区域清除加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行区域粗加工，行距设为1 mm，生成的刀具轨迹如图4所示。

图4 蜘蛛模型腹部与背部的粗加工刀具轨迹

（3）蜘蛛模型腹、背部的补加工。选用“模型残余区域清除加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行补加工，行距设为1 mm，生成的刀具轨迹如图5所示。

图5 加工蜘蛛模型腹部与背部的补加工刀具轨迹

（4）蜘蛛模型腿部补加工。选用“等高精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行腿部半精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图6所示。

图6 蜘蛛模型腿部补加工刀具轨迹

（5）蜘蛛模型腹部精加工。选用“螺旋线加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行腹部精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图7所示。

图7 蜘蛛模型腹部精加工刀具轨迹

（6）蜘蛛模型尾部精加工。选用“曲面精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行尾部精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图8 所示。

图8 蜘蛛模型尾部精加工刀具轨迹

（7）蜘蛛模型背部精加工。选用“放射精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行背部精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图9所示。

图9 蜘蛛模型背部精加工刀具轨迹

（8）蜘蛛模型触角精加工。选用“投影精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行触角精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图10所示。

图10 蜘蛛模型触角精加工刀具轨迹

（9）蜘蛛模型腿部精加工。选用“投影精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行腿部精加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图11所示。

图11 蜘蛛模型腿部精加工刀具轨迹

（10）蜘蛛模型腿部补精加工。选用“三维偏置精加工策略”均匀去除余料，使用A、C轴定向X、Y、Z轴进行腿部补加工，行距设为0.5 mm，生成的刀具轨迹如图12所示。

图12 蜘蛛模型腿部补精加工刀具轨迹

2.2 数控仿真及优化

通过PowerMill 软件生成相应的刀具轨迹，选择适合DMU85MonoBllock 五轴联动数控机床的后置处理文件，生成NC 数控代码。将数控NC 代码导入VERICUT 数控仿真[6]软件进行虚拟仿真加工，根据仿真结果进行程序优化，数控加工仿真流程如图13所示。

图13 数控加工仿真流程

VERICUT 仿真软件不仅具有现场虚拟仿真功能，还具有数控程序再优化[7-9]的功能。VERICUT 软件还提供了程序对比功能、力图表[10]显示功能、节省计算器功能。

（1）程序对比功能：根据左右程序行显示的颜色，区分优化程序行，如图14所示，优化程序行的进给速度、依据解析度距离参数，将一条程序行分为几条程序行，提高加工轨迹的精度。

（2）力图表显示功能：生成相应的因素与加工时间的力图表，图15所示为最大屑厚与时间的力图表，可以对力图表进行放大和缩小操作。

图15 最大屑厚与时间力图表

（3）节省计算器功能：根据原始程序与优化后的程序对比，设置相应的对比参数，计算节省时间和成本，如图16所示。

图16 节省计算器

优化前后的加工时间对比如表2 所示，优化后的程序缩短了加工时间，尤其精加工复杂曲面时更加明显，在精铣头部和肚子时，优化率[11]达到了53.59%。通过图14对比优化前后的程序，在空走刀程序行位置，会增加1个空走刀进给率，提升了空走刀的效率，会将程序更加细化，增加程序段，刀具步进距离更加细化，提高了加工精度。