田美霞，顧麗敏

(浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018)

當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)競爭激烈，與制造業(yè)密切相關(guān)的航空航天、模具、汽車等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品呈現(xiàn)多元化、復(fù)雜化和批量化，產(chǎn)品更新速度也加快，為在國內(nèi)外市場中保持競爭力，需要不斷地設(shè)計(jì)創(chuàng)新，改善加工工藝，采用先進(jìn)的加工手段。

在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品加工的很多場合，都需要在復(fù)雜曲面零件的表面上雕刻文字、圖像及溝槽類裝飾特征等來顯示工業(yè)產(chǎn)品的某種功效或者提高工業(yè)產(chǎn)品外在美觀度，復(fù)雜曲面零件的雕刻加工已是機(jī)械制造行業(yè)常遇到的難題。

目前，市面上復(fù)雜曲面零件的雕刻加工大都采用專用CNC雕刻機(jī)和配套的專用雕刻軟件來實(shí)現(xiàn)。CNC雕刻機(jī)雖然擅長雕刻加工，但是它只能做輕切削加工，雕刻加工的刀具也具有特殊性，無法加工硬度大的材料，這就造成了加工設(shè)備和產(chǎn)品的局限性。近年來，多軸數(shù)控加工中心得到了越來越廣泛的應(yīng)用，多軸加工使原本復(fù)雜零件的加工變得容易了許多。Pro/E有強(qiáng)大的實(shí)體造型功能和快捷高效的自動(dòng)編程優(yōu)勢，使復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)變得簡單化，擴(kuò)大了數(shù)控加工設(shè)備在復(fù)雜曲面加工中的應(yīng)用范圍，深受廣大制造企業(yè)的歡迎。因此，利用多軸數(shù)控加工中心結(jié)合Pro/E來進(jìn)行復(fù)雜曲面的文字雕刻，將提高復(fù)雜曲面零件表面的加工質(zhì)量和加工精度，同時(shí)也拓展了數(shù)控加工中心的產(chǎn)品加工范圍，縮短了加工周期，提高了企業(yè)的競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。

作者探討了用Pro/E軟件完成復(fù)雜曲面及圖形文字的建模和加工仿真，并根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析和安排了曲面文字雕刻的數(shù)控加工工藝，具體分析了曲面文字建模和雕刻加工的難點(diǎn)及要解決的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合FANUC 5軸數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)了曲面文字的雕刻。

1 復(fù)雜曲面文字雕刻手工編程難點(diǎn)

復(fù)雜曲面往往無法用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述，只有許多光滑連接的離散點(diǎn)的標(biāo)注圖紙，因此，復(fù)雜曲面文字雕刻靠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作或手工編程來實(shí)現(xiàn)難度大、效率低，產(chǎn)品質(zhì)量和精度無法保證，無法滿足客戶的需求和批量生產(chǎn)。

2 Pro/E自動(dòng)編程流程與關(guān)鍵問題

自動(dòng)編程是從零件設(shè)計(jì)模型獲得數(shù)控加工程序的全部過程，尤其適用于具有非圓曲線、列表曲面和組合曲面等形狀復(fù)雜的零件。Pro/E數(shù)控模塊提供了多種加工類型，用于復(fù)雜形狀零件的粗加工和精加工，采用Pro/E自動(dòng)編程能很好地解決復(fù)雜曲面文字雕刻的問題。

Pro/E能模擬數(shù)控加工的全過程，其加工流程依次為:創(chuàng)建CAD模型;分析圖樣和安排加工工藝;建立制造模型和制造數(shù)據(jù)庫;設(shè)置加工方法，定義NC工序;演示刀具軌跡與加工仿真;利用后處理器生成NC代碼，最后驅(qū)動(dòng)機(jī)床。

在使用Pro/E進(jìn)行自動(dòng)編程時(shí)，需要注意以下兩個(gè)問題:(1)正確地創(chuàng)建零件模型實(shí)體造型是自動(dòng)編程首先需要完成的基本環(huán)節(jié)，是影響自動(dòng)編程成敗的基本因素;(2)材料、刀具、機(jī)床等工藝參數(shù)的設(shè)置是影響自動(dòng)編程的關(guān)鍵問題。編程人員需結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，參考機(jī)床說明書和工藝手冊來合理設(shè)定包括主軸轉(zhuǎn)速、切削速度、背吃刀量等切削用量，否則難以在實(shí)際的生產(chǎn)中保證加工零件的質(zhì)量，無法兼顧切削效率和零件加工成本，甚至?xí)p壞刀具或機(jī)床，造成嚴(yán)重加工事故。

3 零件建模與加工

正確合理地創(chuàng)建零件CAD模型是生產(chǎn)合格零件的保證，在建模前，應(yīng)先確定零件的主要特征，同時(shí)確定建立特征的先后順序。

為了實(shí)現(xiàn)曲面文字的雕刻加工，需要在零件曲面上創(chuàng)建雕刻的文字圖形。在Pro/E自動(dòng)編程中，雕刻加工也稱為刻模加工，主要是對凹槽修飾特征進(jìn)行加工，刀具沿著凹槽修飾特征運(yùn)動(dòng)。具體操作如下:首先在Pro/E軟件中零件模塊下利用造型工具命令創(chuàng)建出空間自由曲面，再利用拉伸操作命令得到曲面零件模型，如圖1所示;接著在零件模型的曲面上創(chuàng)建文字特征，即在曲面上添加修飾特征，以圖1所示零件模型的底面為參考平面，新添加一個(gè)投影平面;在主菜單中依次選擇“插入”/“修飾”/“凹槽”，在彈出的“特征參考”菜單項(xiàng)中，選擇需要雕刻加工的曲面作為參照，選擇剛才建立的投影平面作為草繪平面，單擊工具欄“文字”圖標(biāo)，輸入文字“機(jī)床與液壓1973”并選擇字體、大小和方向，調(diào)整文字的位置，完成建立凹槽修飾特征。曲面文字雕刻的設(shè)計(jì)模型如圖2所示。

圖1 曲面零件模型

圖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 工件分析與工藝安排

(1)零件分析

該零件模型的上表面由一定斜度的不規(guī)則曲面和凹槽組成，其他底面均為平面。毛坯材料為45號鋼，形狀為100 mm×100 mm×40mm的平整長方體，六面平整。加工時(shí)，需對不規(guī)則曲面進(jìn)行粗加工和精加工，對文字即凹槽部分進(jìn)行雕刻加工。

(2)工件安裝

將底面固定安裝在機(jī)床上，一次裝夾，完成全部工序的加工。

(3)數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，以粗、精加工分開，先粗后精的原則來劃分工序。該零件模型的數(shù)控加工分為曲面的粗加工、曲面的精加工、文字雕刻加工。曲面的粗加工采用切削類型為直線切割的曲面銑削加工方法來去除大部分零件加工余量。曲面的精加工采用切削類型為自由面等值線的曲面銑削加工方法來形成曲面零件的最終尺寸。曲面上的文字雕刻采用5軸雕刻的加工方法。數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 數(shù)控加工工藝路線設(shè)計(jì)

(4)刀具選擇和切削參數(shù)設(shè)置

正確地選擇加工刀具，合理地設(shè)置切削用量能提高數(shù)控機(jī)床的加工效率和加工質(zhì)量，可以大大降低整個(gè)加工成本。在保證不過切的情況下，為減少換刀次數(shù)、提高加工效率，無論是粗銑曲面還是精銑曲面，都選用同一把硬質(zhì)合金立銑刀。在文字雕刻加工時(shí)，刀具沿著凹槽修飾特征運(yùn)動(dòng)，刀具直徑?jīng)Q定了切削的寬度，雕刻的深度由參數(shù)GROOVE_DEPTH控制，選用刀具半徑不宜過大的平底立銑刀。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和曲面文字雕刻零件特點(diǎn)，數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)設(shè)置如下表2所示。

表2 數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)

4.2 建立制造模型和制造數(shù)據(jù)庫

在進(jìn)行Pro/E自動(dòng)編程的各項(xiàng)規(guī)劃前，必須先建立制造模型和創(chuàng)建制造數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包括機(jī)床、刀具、夾具配置、刀具表等項(xiàng)目。具體操作步驟如下:(1)引入?yún)⒄漳Ｐ汀＿x擇下拉菜單“插入”/“參照模型”/“裝配”，系統(tǒng)彈出“打開”對話框，選取圖2所示零件模型，在彈出的文件放置菜單中，選擇“缺省”放置以待加工;(2)創(chuàng)建工件。選擇下拉菜單“插入”/“工件”/“自動(dòng)工件”，單擊操控板“選項(xiàng)”按鈕，在“Y整體”中輸入40，完成工件的創(chuàng)建;(3)制造設(shè)置。選擇下拉菜單“步驟”/“操作”，在系統(tǒng)彈出的“操作設(shè)置”對話框中選擇5軸銑削，完成機(jī)床設(shè)置，在“參照”選項(xiàng)組設(shè)置根據(jù)提示創(chuàng)建制造坐標(biāo)系A(chǔ)CS1，在“退刀”選項(xiàng)組，選擇制造坐標(biāo)系A(chǔ)CS1為參照，輸入偏移值10，完成退刀平面的創(chuàng)建。

4.3 加工方法設(shè)置和刀具軌跡演示

根據(jù)表1所示的曲面文字雕刻加工工藝路線設(shè)計(jì)和表2所示數(shù)控加工刀具及切削參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)加工方法的參數(shù)設(shè)置。

具體操作步驟如下:

(1)粗銑曲面和精銑曲面。選擇下拉菜單“步驟”/“曲面銑削”命令，打開“序列設(shè)置”菜單，依次選擇“刀具”、“參數(shù)”、“曲面”、“定義切削”復(fù)選框，單擊“完成”。在系統(tǒng)彈出的“刀具設(shè)定”對話框和“曲面銑削”對話框中設(shè)置刀具參數(shù)和基本加工參數(shù)。在系統(tǒng)彈出的“曲面拾取”菜單中，選取要加工的曲面，建立NC序列1曲面銑削。曲面的精加工與粗加工的大部分操作類似，只需修改一些參數(shù)，如定義切削方式、基本加工參數(shù)等來建立NC序列2曲面銑削。在菜單管理器中“NC序列”菜單中，選擇“播放路徑”/“屏幕演示”，演示刀具軌跡如圖3所示。

圖3 曲面的精加工刀具軌跡

(2)文字雕刻。選擇下拉菜單“步驟”/“雕刻”命令，系統(tǒng)彈出“加工軸”菜單，選擇“5軸”。接著在系統(tǒng)彈出的“序列設(shè)置”菜單中選擇“刀具”、 “參數(shù)”、 “槽特征”復(fù)選框，單擊“完成”。在系統(tǒng)彈出的“刀具設(shè)定”對話框和“開槽”對話框中，設(shè)置刀具參數(shù)和基本加工參數(shù)。在系統(tǒng)彈出的“選取 GRVS”菜單中，選取“機(jī)床與液壓”特征，建立NC序列3開槽。演示刀具軌跡如圖4所示，查看生成CL數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 曲面文字雕刻的刀具軌跡

圖5 查看CL數(shù)據(jù)

4.4 三維切削仿真檢查及G代碼生成

圖6 曲面粗加工仿真

為了驗(yàn)證Pro/E軟件所生成的刀具軌跡路線的合理性，必須對生成的曲面文字雕刻加工的刀具軌跡路線進(jìn)行三維切削仿真檢查。利用Pro/E提供的零件加工模擬功能，能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行工件材料去除的動(dòng)態(tài)模擬、觀察切削加工的全過程、檢測工藝參數(shù)的設(shè)置是否合理。具體操作如下:在菜單管理器中“NC序列”菜單中，選擇“播放路徑”/“NC檢查”，觀察刀具切割工件的運(yùn)動(dòng)情況。如圖6所示為在曲面粗加工動(dòng)態(tài)仿真圖。

三維切削模擬仿真校驗(yàn)無誤后，設(shè)置相應(yīng)后處理參數(shù)，生成數(shù)控機(jī)床可以識(shí)別的G代碼文件，用記事本方式打開，稍做修改，將生成的粗加工、精加工、文字雕刻的NC代碼依次輸入到FANUC五軸數(shù)控加工中心機(jī)床。為確保安全，在加工中心加工前先進(jìn)行試切加工，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整。確定無誤后，最后進(jìn)行數(shù)控加工。

與普通雕刻機(jī)加工比對顯示:采用Pro/E的曲面文字雕刻加工效果好，加工表面質(zhì)量高，文字雕刻精度高。

5 結(jié)論

以一個(gè)復(fù)雜曲面文字雕刻為例，利用Pro/E軟件進(jìn)行建模和數(shù)控加工仿真，并在FANUC五軸數(shù)控加工中心機(jī)床上加工得到實(shí)體零件，提高了曲面文字雕刻的加工精度和加工質(zhì)量。在曲面文字雕刻加工中，采用了靈活實(shí)用的編程方案和可靠有效的數(shù)控加工工藝，從而保證零件加工質(zhì)量和加工效率，拓展了數(shù)控加工中心的產(chǎn)品加工范圍，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)水平得以提高。Pro/E軟件解決了許多手工無法完成的復(fù)雜曲面零件程序的編制問題，縮短了零件的設(shè)計(jì)和加工制造周期，提高了零件的設(shè)計(jì)質(zhì)量和精度。但如何對Pro/E軟件產(chǎn)生的G代碼指令進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省加工時(shí)間，提高加工效率，還有待于進(jìn)一步研究。

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