1 引言

　　在航空航天、汽车零件的制造中，已经大量采用了表面为自由曲面的零件和模具，外形和内部结构日趋复杂，对其加工提出了更高的要求，现在多使用五轴加工中心高速铣削加工来完成。五轴加工比一轴有更多的自由度，对自由曲面的适应能力强．能够采用大的刀具，甚至平底刀进行自由曲面的加工。因此，五轴加工技术在目前乃至将来有着更为广泛的应用。自动编程技术在五轴加工技术中起关键性作用，因为刀具轨迹的工艺排布、刀具夹头与工件或与工装夹其之间的干涉检查、毛坯残留请的识别，都由软件自动完成，编程人员无需经过繁琐的计算过程，就町直接得到所需要的加工程序，大大提高了加工效率，缩短了产品的生产周期，如UG、Pro/E、CimatronE等软件，本文丰要针对CimatronE软件中五轴加jI：技术在自由曲面加工过程中的应用做一剖析。

2 自由曲面

　　特征造型在当今的造型技术中占主导地位，其研究内容基本以规则形状为主。目前，白南曲面设计已经成为研究主题。通过非有理B样条表示法，在很多CAD系统中可以利用一系列控制点来逼近和表示自由曲面。如CimatronE、UGNX、Pro／E等。在自由曲面造型过程中，常用的方法丰要有Bezier曲面、Coons曲面和B样条曲而三类。由于NURBS曲面方便灵活，具有强大的形状描述能力。被国际标准化组织ISO在STEP(工业产品数据交换)标准中定义为描述产品形状的主要数学方法。

3 CimatronE五轴加工技术

　　CimatronE是目前市场上应用较为广泛的CAD／CAM软件之一，它为操作者提供了高敛的加工工具包。通过生成无过切的刀具加工路径。生产出要求高精度表面质量的复杂零件，从而缩短产品的开发周期。CimatronE数控五轴产品包含有丰富的五轴粗加工和精加工策略；可以避免刀头和刀柄系统在加工时同零件、毛坯或机床发生干涉碰撞。同时具有强大的材料去除功能和基于机床的全仿真功能。

　　(1)CimatronE拥有丰富的五轴加工类型：五轴联动加工、五轴定位加工、五轴倾斜加工、五轴裁切加工等。

　　(2)CimatronE拥有丰富的多轴控制策略：依曲面法线方向、相对于切削方向倾斜、与法线成角度倾斜、与固定轴成角度倾斜、绕轴旋转、通过外点倾斜、通过曲线倾斜、平行于曲线倾斜、通过内点倾斜等。此外，用户还可做相应辅助面来控静j刀轴的方向。

　　(3)CimatronE的五轴联动切削策略涵盖了从粗加工、精加工、细部加工、五轴钻孔以及多轴线加工的帽关范畴，支持各种类型的刀具．包括锥角刀具、棒糖式刀具和T形铣刀等。

　　(4)CimatronE提供了强大、完善的碰撞及干涉检查功能，可以实现刀具本身、刀柄和多台阶的夹头与零件、毛坯、夹具以及机床工作台的干涉检查，生成安全顺滑的刀具路径。

　　(5)五轴刀具路径需通过特殊的后处理器转化成机床所能接受的NC代码格式，CimatronE针对五轴后处理有GPP和IMS两种模块，方便处理出任何类型的机床和数控系统的多轴后处理器。

4 基于Ci rrlatronE实现自由曲面的五轴加工实例

　　4.1 实例分析

　　整体叶轮作为发动机的关键部件，对发动机的性能影响很大，其加工成为提高发动机性能的一个关键环节。从叶轮(如图1)的结构来看，其叶片型面部分为复杂曲面，各部分的曲率、扭转变化较大。作为动力装置的重要部件，零件本身的精度和质量有很高的要求。在加工叶轮的过程中不仪要保证叶片表面的加丁轨迹能够满足几何准确性的要求，还要在实际加工中注意轨迹规划以保证加工的质量。整体叶轮进行五轴加工，其粗精加工铣削方式和刀具轨迹策略、粗精加工工序余量的合理安排、切削工艺参数的合理选择对于提高产品的加工效率和质最是至关重要的。本文仪对单个叶片的数控编程进行分析。

　　4.2 加工方案

　　根据叶轮的几何结构特征和使用要求，设计基本加工工艺流程为：(1)车削加工回转体的基本形状；(2)开粗加工流道部分；(3)精加工流道部分；(4)叶片精加工；(5)对倒圆部分进行清根处理。

　　4.3 程序编制与数控仿真

　　4.3.1 定义加工坐标系、建立刀具库和选择刀路轨迹

　　为了使编程人员系统而方便地管理产品的整个数控加工过程，在编程前应先定义加工坐标系，本实例加工坐标系设置在顶而中心处。刀路轨迹选择5轴。建立刀具库是根据加工中心刀具库的刀具以及加工曲而所要选用的刀具种类，建立一个刀具库，把刀具的有关参数，如刀具类型、刀尖类型、刀具直径、切削刃长度、刀长、刀号以及夹头的直径、高度等输入刀具库中。

　　创建零件是为了在进行剩余毛坯检查以及高级仿真校验时与产品进行比较，便于编程人员及时对刀位轨迹进行调整。创建毛坯是软件计算生成刀位轨迹的基础，CimatroE软件提供了丰富的创建毛坯方法，比如曲面、轮廓、矩形、限制盒、多轴毛坯等，本实例选择叶片的3个曲面作为毛坯。

　　4.3.2 流道二次开粗与精加工

　　针对该叶轮单个叶片形面加工的解决方案．开粗加工采用5轴航空铣，刀具选择1号锥形环形刀，曲而路径设置为两曲线之间仿形铣，切削类型设置为取决于切削数馈。切削数量为3，切削方式为顺时针单一路径，选取叶片外侧边缘作为第一曲线、内侧边缘作为第二曲线、两叶片之间曲面为导动曲面定义加工几何体。考虑到利用刀具侧刃进行加工，此时需要对刀轴矢馈进行合理的控制，本实例采用根据切削方向倾斜，这样刀其沿着曲面形状的自然走向产生刀具路径，用这样的刀具路径加工出来的零件更加光滑，考虑到切削刀具的锥角，在切削方向一倾斜角设置为85°。选择导动曲面作为第一干涉检查曲面，这种情况的应用乇要为了解决扭曲导动面在被加工后与刀具发生干涉的现象，再选择两叶片之间曲面作为第二干涉检查曲面。在进、退刀中设置为使用宏指令，宏程序类型设置为圆弧相切，这样¨丁以对刀路轨迹的进刀、退刀进一步控制。在粗加工中的多行开粗中分别定义层数与间距进而定义加工刀路，这里的间距是两层之间的3D距离。在这里也可以定义精加工刀路，使刀路之间的距离为0.5mm。通过CimatronE计算得出加工刀位轨迹。流道精加工与开粗加工类似，刀具选择2号刀即可。

　　4.3.3 叶片精加工

　　叶片精加工选择3号球头刀，曲面路径设置为两曲面之间仿形铣，切削方式为由内向外双向铣削。两叶片相对曲面分别设置为第一曲面与第二曲面、两叶片之间曲面设置为驱动曲面定义加工几何体。在两叶片外边缘间建立曲线，以空间的轮廓对曲面加工轨迹进行限制。使轨迹在限制区域内进行加工，进而控制刀具的轨迹范围，刀轴设置为通过曲线倾斜，曲线靠近类型为靠近点。选择刀具切削刃参与干涉检查．同时选择导动曲面和检查曲面，检查曲面分别为两叶片的内侧曲面。在进、退刀中设置为使用宏指令，宏程序类型设置为垂赢切向半径，所有切片之间连刀都采用混合样条线光滑连接，这样可以对刀路轨迹的进刀、退刀进一步控制。通过CimatronE计算得出叶片精加工刀位轨迹。

　　4.3.4 清根加工

　　清根加工是对于精加工中无法加工到的局部区域的细部加工，刀具半径应小于曲面的曲率半径，选择5轴加：r中的叶片清根功能可以完成清根铣削。

　　4.3.5 仿真检验

　　在生成刀路轨迹后，通过切削模拟可以高效率地检查程序的正确性，同时也i叮以预知本程序加工后的毛坯形状，为后续加工刀具路径编制提供相对直观的参考。同时也可以采用检验与零件进行比较。这样可以清楚地看到零件未加工到位的区域或过切情况。

　　4.3.6 后置处理

　　经模拟检验所有的加工程序正确后，可以进行后置处理以生成机床能识别的NC代码，但应该注意的是不同的机床控制器对程序的要求是不同的，某些指令町能会有所区别，另外包括可以接受的数据范围等也有所区别，所以在后处理前应先确认所用的后置处理器与机床是否踞配。选择程序进行后置处理，后处理完成之后系统将产生一个程序文件，使用记事本打开即可以看到NC程序。

5 总结

由于五轴加工能够对自由曲面进行高精度加工通过CimatronE五轴加工包。编程人员可以控制加工工艺的每一个方面，比如：刀轴方向、安全区域、进退刀方式、层间或行间的连接策略、避免碰撞和干涉以及不同加工过程的连接方式等。利用其优化的加工策略，能够处理各种几何形状的产品，编写出安全高效的多轴加工路径。