0 引 言

　　在模具制造中對(duì)自由曲面數(shù)控加工越來(lái)越多。常采用反向工程技術(shù)，即對(duì)存在的復(fù)雜實(shí)物模型或零件進(jìn)行高精度的數(shù)字化測(cè)量，對(duì)重構(gòu)出的CAD 模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE），通過(guò)CAM 系統(tǒng)加工出產(chǎn)品，再對(duì)加工出的產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)、修改和創(chuàng)新，若不滿意則可以重新進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再加工和檢驗(yàn)，直到滿意的過(guò)程。數(shù)控加工編程是復(fù)雜曲面數(shù)控加工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，數(shù)控加工編程中切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式、編程零點(diǎn)和加工坐標(biāo)系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質(zhì)量和加工粗糙度，也關(guān)系著反向工程的整體性能。文中在Cimatron 軟件CAD/ CAM 集成環(huán)境基礎(chǔ)上，對(duì)反向工程中重構(gòu)出的復(fù)雜曲面CAD 模型進(jìn)行數(shù)控加工編程，通過(guò)對(duì)確定數(shù)控加工參數(shù)原則的討論，給出了一種加工效率高、成型質(zhì)量好的數(shù)控加工方法。

1 復(fù)雜曲面數(shù)控加工工藝分析

　　1.1 數(shù)控加工曲面的方法

　　隨著數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，特別是加工中心的出現(xiàn)，自由曲面的加工過(guò)程可以通過(guò)數(shù)控編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。加工復(fù)雜型面一般采用球頭銑刀數(shù)控銑削，程序給出的加工軌跡是刀頭球心的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　加工中心對(duì)自由曲面的連續(xù)銑削加工，有行切法、環(huán)切法、層切法、等深法等幾種加工方法，文中主要采用行切法和層切法兩種。行切法具有編程簡(jiǎn)單和切削效率高的優(yōu)點(diǎn)，但由于刀具在行切平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，且曲面的曲率不同和定位等原因，會(huì)導(dǎo)致行間的殘留高度相差較大，因此常用于粗加工。層切法加工是在等高面上切除加工余量，其實(shí)質(zhì)是一種二軸半的分層處理加工方法。在層切法加工過(guò)程中，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優(yōu)化，空刀現(xiàn)象大大減少，切削效率高。因此，層切法是一種高效的粗加工方法。

　　1. 2 曲面數(shù)控加工參數(shù)選用的原則

　　加工中心對(duì)自由曲面的銑削加工中，切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式、編程零點(diǎn)和加工坐標(biāo)系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質(zhì)量和加工粗糙度。特定以下原則：

　　1）合理選擇切削用量的原則：粗加工時(shí)，一般以提高生產(chǎn)效率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；半精加工和精加工時(shí)，在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。用三坐標(biāo)加工中心銑削曲面時(shí)，在機(jī)床和刀具允許的范圍內(nèi)，主軸轉(zhuǎn)速盡量選高些，以提高加工效率。

　　2）加工步長(zhǎng)確定的原則：加工形狀復(fù)雜的曲面時(shí)采用殘留刀痕高度法來(lái)確定加工步長(zhǎng)。殘留高度是指沿加工表面的法向矢量方向，兩相鄰切削行之間的波峰與波谷的高度差，如圖1 所示，以球頭銑刀加工凸曲面來(lái)討論它們之間的關(guān)系。

　　圖1 中，AB=2a（刀具中心間的距離），PE=h殘留刀痕高度），p為曲率半徑， 為曲率中心，r 為刀具半徑。當(dāng)曲線弧CD的弧長(zhǎng)很小時(shí)，可以把其近似認(rèn)為是以p為半徑的一段圓弧，因此，可得殘留刀痕高度h 和加工步長(zhǎng)的關(guān)系如式（1）所示：

這樣可以通過(guò)殘留刀痕高度h 的值，來(lái)控制加工步長(zhǎng)，以此來(lái)確保工件的加工精度。

　　3）確定加工余量的基本原則：在保證復(fù)雜型面加工完整的前提下盡量減少加工余量。

　　4）走刀方式與切削方向選擇原則：根據(jù)被加工零件表面的幾何形狀，在保證加工精度的前提下，使切削加工時(shí)間盡可能短，且在切削加工過(guò)程中，刀具受力平穩(wěn)。在三維曲面區(qū)域加工的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡生成技術(shù)中，可采用如下3 種走刀方式：往復(fù)型走刀方式、單方向走刀方式、環(huán)切走刀方式。

　　5）進(jìn)刀方式與退刀方式的選擇方法：加工精度要求較高的曲面，為不在工件的進(jìn)刀或退刀處留下駐刀痕跡，應(yīng)選擇沿曲面的切矢方向或沿圓弧方向的進(jìn)刀、退刀方式。

　　6）編程零點(diǎn)的選擇原則：應(yīng)使編程零點(diǎn)與工件的尺寸基準(zhǔn)重合；應(yīng)使編制數(shù)控程序時(shí)的運(yùn)算最為簡(jiǎn)單，避免出現(xiàn)尺寸鏈計(jì)算誤差；起的加工誤差最小；編程零點(diǎn)應(yīng)選在容易找正，在加工過(guò)程中便于測(cè)量的位置。

2 基于Cimatron 的自由曲面數(shù)控加工編程

　　曲面的數(shù)控加工是反向工程的重要步驟之一，只有通過(guò)編程加工出按“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)重構(gòu)的自由曲面，反向工程才有實(shí)際價(jià)值。為了論述方便，選擇了具有曲率變化較大的曲面— 電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面作為數(shù)控加工編程對(duì)象，來(lái)研究自由曲面的數(shù)控加工方法。

　　2.1 定義MACSYS 加工坐標(biāo)系

　　為了使編程人員系統(tǒng)而又方便地管理產(chǎn)品的整個(gè)數(shù)控加工過(guò)程，在編程前首先需定義一個(gè)加工坐標(biāo)系。在反向工程中加工某一復(fù)雜曲面時(shí)，由于曲面的具體尺寸無(wú)法得到，因此建議采用系統(tǒng)自動(dòng)生成的新坐標(biāo)系（M_MODE），并把編程零點(diǎn)設(shè)在此加工坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

　　2.2 建立刀具資料庫(kù)和選擇加工類別

　　建立刀具資料庫(kù)是根據(jù)本單位加工中心刀具庫(kù)的刀具以及加工曲面所要選用的刀具種類，建立一個(gè)刀具庫(kù)，把刀具的有關(guān)參數(shù)，如切削刃長(zhǎng)度、切削角以及刀桿長(zhǎng)度輸入刀具庫(kù)中。文中加工用的Φ 12 球銑刀。由于Cimatron 軟件能夠進(jìn)行2 ~5 軸的銑削加工、數(shù)控車(chē)和線切割等數(shù)控加工的編程，所以編程前要選擇加工類別，這里選擇3 軸的銑削加工編程。

2.3 編程毛坯的建立

　　實(shí)際加工毛坯的尺寸是依據(jù)編程毛坯的大小來(lái)確定的。以加工電話機(jī)聽(tīng)筒為例，要編程加工出其外表曲面，必須先建立電話機(jī)聽(tīng)筒的編程毛坯。由于是空間曲面，不僅其表面尺寸難以確定，而且在加工坐標(biāo)系中的位置也不好確定，所以需要解決確定所需編程毛坯的大小及其所在的位置。為此，先按曲面大小，用軟件建立編程毛坯的方法自動(dòng)建立一個(gè)加工出曲面所需的最小加工毛坯，查看其尺寸及在加工坐標(biāo)系中的位置，然后用輸入坐標(biāo)值建立矩形編程毛坯的方法，經(jīng)過(guò)人工簡(jiǎn)單的計(jì)算，把一個(gè)滿足條件的加工毛坯的尺寸輸入計(jì)算機(jī)，定義出一個(gè)編程毛坯。文中采用這種方法，不僅可使編程毛坯的大小和實(shí)際加工毛坯的大小一樣，而且此編程毛坯所在的位置能夠包圍住所要加工的曲面。建立的編程毛坯如圖2 所示。

2. 4 粗加工編程

　　數(shù)控加工分為粗加工和精加工。在加工復(fù)雜曲面時(shí)，約70%的余量在粗加工時(shí)切除，因而大量的加工工時(shí)被消耗于粗加工過(guò)程。為此要選用一種合理的、高效的粗加工方法進(jìn)行編程加工。Cimatron 提供了一種“WCUT”的加工方法，這種方法在封閉區(qū)域中逐層銑削曲面，其銑削面為平面。這是一種層切法，它不僅有粗加工的能力，而且還能進(jìn)行一定程度的精加工，所以選用“WCUT”的加工方法適合對(duì)電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面的編程毛坯進(jìn)行粗加工編程。用“WCUT”的加工方法進(jìn)行加工，在同一層加工面中Z坐標(biāo)值不變；在每一層加工面里采用的是行切削，在一行里X值或Y值不變，這樣加工效率就比較高。走刀方式采用往復(fù)式，雖然加工精度低些，但加工效率高；切削方向采用反向工程數(shù)據(jù)采集的掃描線方向。

　　由于電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面的表面曲率半徑某些地方比較小，而且曲率變化也大，為了能夠用一把刀加工出其表面且滿足精度要求，球銑刀直徑選擇小些，其值為Φ12；進(jìn)刀和退刀方式也選用切矢方向切入和離開(kāi)，以利于提高表面的加工質(zhì)量；切削用量為：主軸轉(zhuǎn)速是2000r/min，每層加工步長(zhǎng)為1mm，層內(nèi)加工步長(zhǎng)也是1mm，粗加工的余量是1.6mm，表面粗糙度是0.05mm。圖3 為電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面模擬粗加工后的效果圖。

　2.5 精加工編程

　　數(shù)控精加工必須滿足圖紙要求的精度，所以精加工編程的原則是在保證加工精度的前提下盡可能提高加工效率。而編程時(shí)的加工方法選擇和加工參數(shù)的設(shè)定則應(yīng)根據(jù)所加工曲面的具體幾何拓?fù)潢P(guān)系來(lái)確定。

　　電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面比較復(fù)雜，有凹有凸，表面曲率大小不一。從粗加工模擬圖看，層間加工步長(zhǎng)是1mm，層內(nèi)行切削的步長(zhǎng)也是1mm 時(shí)，加工效果不是很好。所以該類曲面的精加工編程不宜用“WCUT”的加工方法。對(duì)Cimatron 提供了幾種精加工曲面的方法比較試驗(yàn)，采用“SRFPRT”加工方法精加工復(fù)雜曲面比較好?！癝RFPRT”加工方法是在限制的封閉區(qū)域中精加工曲面的一種方法，它可以沿曲面的凹凸變化進(jìn)行加工，提供了平行切削、螺旋切削等走刀方式，正好符合復(fù)雜曲面凹凸變化大的特點(diǎn)。對(duì)該零件來(lái)說(shuō)，在編程時(shí)仍然采用沿掃描方向的行切削，但這時(shí)的行切削與粗加工時(shí)在層內(nèi)的行切削不同，粗加工時(shí)層內(nèi)的Z值不變化，只能沿Z方向一層層的切削，而這里的Z坐標(biāo)值隨著曲面的起伏而變化，這是對(duì)反向工程數(shù)據(jù)采集階段三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的一種再現(xiàn)。為了提高加工精度，走刀方式由往復(fù)式改為單向走刀式，雖然加工時(shí)間長(zhǎng)一些，但加工精度較高，這符合精加工編程精度優(yōu)先的原則。切削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，刀具直徑、進(jìn)退刀方式和粗加工一樣，表面粗糙度0.01mm，行切削的行間加工步長(zhǎng)則根據(jù)前述的殘留刀痕高度法來(lái)確定。將各相關(guān)參數(shù)選定，加工步長(zhǎng)設(shè)定為0.01mm。圖4 是按上述方式和參數(shù)進(jìn)行編程的電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面精加工模擬圖，可見(jiàn)用殘留刀痕高度法來(lái)控制加工步長(zhǎng)，可以獲得較高的表面加工質(zhì)量。

　　2. 6 數(shù)控加工程序的后處理

要使編制的程序在加工中心上實(shí)現(xiàn)，還得把“*.cl”格式的刀具軌跡文件轉(zhuǎn)換為加工中心能夠接受的，后綴為“demo”的G 代碼文件。通過(guò)Cimatron 的加工管理環(huán)境把對(duì)應(yīng)的電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面的刀具軌跡文件轉(zhuǎn)換為G 代碼文件，在加工中心工作臺(tái)上完成工件毛坯的安裝、調(diào)試后，將生成的G 代碼文件通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入到加工中心控制系統(tǒng)，就能在工件毛坯上復(fù)制出通過(guò)反向工程反求出的電話機(jī)聽(tīng)筒的外表面的復(fù)雜型面。

3 結(jié) 論

　　在實(shí)物自由曲面的反向工程中，需要對(duì)零件復(fù)雜曲面進(jìn)行數(shù)控加工編程，是反向工程的重要環(huán)節(jié)之一，只有選擇合理的加工方法、切削用量、加工余量、走刀方式、進(jìn)退刀方式等工藝參數(shù)才可以以較高的切削加工效率，好的成型質(zhì)量和最佳的加工粗糙度的曲面。層切法是一種高效的加工方法，根據(jù)所加工曲面的具體幾何拓?fù)潢P(guān)系，在Cimatron 的CAD/ CAM 集成環(huán)境下，對(duì)平緩型曲面用“WCUT”進(jìn)行粗、精加工，對(duì)凹凸型曲面先用“WCUT”進(jìn)行粗加工，再用“SRFPKT”進(jìn)行精加工是一種既可提高加工效率，又可獲得較好的表面加工質(zhì)量的途徑。