基于Cimatron 的自由曲面数控加工

0 引 言

　　在模具制造中对自由曲面数控加工越来越多。常采用反向工程技术，即对存在的复杂实物模型或零件进行高精度的数字化测量，对重构出的CAD 模型进行计算机辅助分析（CAE），通过CAM 系统加工出产品，再对加工出的产品进行检验、修改和创新，若不满意则可以重新进行再设计、再加工和检验，直到满意的过程。数控加工编程是复杂曲面数控加工中的一个重要环节，数控加工编程中切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系等方面的因素都将影响着切削加工效率、成型质量和加工粗糙度，也关系着反向工程的整体性能。文中在Cimatron 软件CAD/ CAM 集成环境基础上，对反向工程中重构出的复杂曲面CAD 模型进行数控加工编程，通过对确定数控加工参数原则的讨论，给出了一种加工效率高、成型质量好的数控加工方法。

1 复杂曲面数控加工工艺分析

　　1.1 数控加工曲面的方法

　　随着数控机床的出现，特别是加工中心的出现，自由曲面的加工过程可以通过数控编程来实现。加工复杂型面一般采用球头铣刀数控铣削，程序给出的加工轨迹是刀头球心的运动轨迹。

　　加工中心对自由曲面的连续铣削加工，有行切法、环切法、层切法、等深法等几种加工方法，文中主要采用行切法和层切法两种。行切法具有编程简单和切削效率高的优点，但由于刀具在行切平面内运动，且曲面的曲率不同和定位等原因，会导致行间的残留高度相差较大，因此常用于粗加工。层切法加工是在等高面上切除加工余量，其实质是一种二轴半的分层处理加工方法。在层切法加工过程中，走刀轨迹被限制在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空刀现象大大减少，切削效率高。因此，层切法是一种高效的粗加工方法。

　　1. 2 曲面数控加工参数选用的原则

　　加工中心对自由曲面的铣削加工中，切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式、编程零点和加工坐标系等方面的因素都将影响着切削加工效率、成型质量和加工粗糙度。特定以下原则：

　　1）合理选择切削用量的原则：粗加工时，一般以提高生产效率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。用三坐标加工中心铣削曲面时，在机床和刀具允许的范围内，主轴转速尽量选高些，以提高加工效率。

　　2）加工步长确定的原则：加工形状复杂的曲面时采用残留刀痕高度法来确定加工步长。残留高度是指沿加工表面的法向矢量方向，两相邻切削行之间的波峰与波谷的高度差，如图1 所示，以球头铣刀加工凸曲面来讨论它们之间的关系。

　　图1 中，AB=2a（刀具中心间的距离），PE=h残留刀痕高度），p为曲率半径， 为曲率中心，r 为刀具半径。当曲线弧CD的弧长很小时，可以把其近似认为是以p为半径的一段圆弧，因此，可得残留刀痕高度h 和加工步长的关系如式（1）所示：

这样可以通过残留刀痕高度h 的值，来控制加工步长，以此来确保工件的加工精度。

　　3）确定加工余量的基本原则：在保证复杂型面加工完整的前提下尽量减少加工余量。

　　4）走刀方式与切削方向选择原则：根据被加工零件表面的几何形状，在保证加工精度的前提下，使切削加工时间尽可能短，且在切削加工过程中，刀具受力平稳。在三维曲面区域加工的刀具运动轨迹生成技术中，可采用如下3 种走刀方式：往复型走刀方式、单方向走刀方式、环切走刀方式。

　　5）进刀方式与退刀方式的选择方法：加工精度要求较高的曲面，为不在工件的进刀或退刀处留下驻刀痕迹，应选择沿曲面的切矢方向或沿圆弧方向的进刀、退刀方式。

　　6）编程零点的选择原则：应使编程零点与工件的尺寸基准重合；应使编制数控程序时的运算最为简单，避免出现尺寸链计算误差；起的加工误差最小；编程零点应选在容易找正，在加工过程中便于测量的位置。

2 基于Cimatron 的自由曲面数控加工编程

　　曲面的数控加工是反向工程的重要步骤之一，只有通过编程加工出按“点云”数据重构的自由曲面，反向工程才有实际价值。为了论述方便，选择了具有曲率变化较大的曲面— 电话机听筒的外表面作为数控加工编程对象，来研究自由曲面的数控加工方法。

　　2.1 定义MACSYS 加工坐标系

　　为了使编程人员系统而又方便地管理产品的整个数控加工过程，在编程前首先需定义一个加工坐标系。在反向工程中加工某一复杂曲面时，由于曲面的具体尺寸无法得到，因此建议采用系统自动生成的新坐标系（M_MODE），并把编程零点设在此加工坐标系的原点。

　　2.2 建立刀具资料库和选择加工类别

　　建立刀具资料库是根据本单位加工中心刀具库的刀具以及加工曲面所要选用的刀具种类，建立一个刀具库，把刀具的有关参数，如切削刃长度、切削角以及刀杆长度输入刀具库中。文中加工用的Φ 12 球铣刀。由于Cimatron 软件能够进行2 ~5 轴的铣削加工、数控车和线切割等数控加工的编程，所以编程前要选择加工类别，这里选择3 轴的铣削加工编程。

2.3 编程毛坯的建立

　　实际加工毛坯的尺寸是依据编程毛坯的大小来确定的。以加工电话机听筒为例，要编程加工出其外表曲面，必须先建立电话机听筒的编程毛坯。由于是空间曲面，不仅其表面尺寸难以确定，而且在加工坐标系中的位置也不好确定，所以需要解决确定所需编程毛坯的大小及其所在的位置。为此，先按曲面大小，用软件建立编程毛坯的方法自动建立一个加工出曲面所需的最小加工毛坯，查看其尺寸及在加工坐标系中的位置，然后用输入坐标值建立矩形编程毛坯的方法，经过人工简单的计算，把一个满足条件的加工毛坯的尺寸输入计算机，定义出一个编程毛坯。文中采用这种方法，不仅可使编程毛坯的大小和实际加工毛坯的大小一样，而且此编程毛坯所在的位置能够包围住所要加工的曲面。建立的编程毛坯如图2 所示。

2. 4 粗加工编程

　　数控加工分为粗加工和精加工。在加工复杂曲面时，约70%的余量在粗加工时切除，因而大量的加工工时被消耗于粗加工过程。为此要选用一种合理的、高效的粗加工方法进行编程加工。Cimatron 提供了一种“WCUT”的加工方法，这种方法在封闭区域中逐层铣削曲面，其铣削面为平面。这是一种层切法，它不仅有粗加工的能力，而且还能进行一定程度的精加工，所以选用“WCUT”的加工方法适合对电话机听筒的外表面的编程毛坯进行粗加工编程。用“WCUT”的加工方法进行加工，在同一层加工面中Z坐标值不变；在每一层加工面里采用的是行切削，在一行里X值或Y值不变，这样加工效率就比较高。走刀方式采用往复式，虽然加工精度低些，但加工效率高；切削方向采用反向工程数据采集的扫描线方向。

　　由于电话机听筒的外表面的表面曲率半径某些地方比较小，而且曲率变化也大，为了能够用一把刀加工出其表面且满足精度要求，球铣刀直径选择小些，其值为Φ12；进刀和退刀方式也选用切矢方向切入和离开，以利于提高表面的加工质量；切削用量为：主轴转速是2000r/min，每层加工步长为1mm，层内加工步长也是1mm，粗加工的余量是1.6mm，表面粗糙度是0.05mm。图3 为电话机听筒的外表面模拟粗加工后的效果图。

　2.5 精加工编程

　　数控精加工必须满足图纸要求的精度，所以精加工编程的原则是在保证加工精度的前提下尽可能提高加工效率。而编程时的加工方法选择和加工参数的设定则应根据所加工曲面的具体几何拓扑关系来确定。

　　电话机听筒的外表面比较复杂，有凹有凸，表面曲率大小不一。从粗加工模拟图看，层间加工步长是1mm，层内行切削的步长也是1mm 时，加工效果不是很好。所以该类曲面的精加工编程不宜用“WCUT”的加工方法。对Cimatron 提供了几种精加工曲面的方法比较试验，采用“SRFPRT”加工方法精加工复杂曲面比较好。“SRFPRT”加工方法是在限制的封闭区域中精加工曲面的一种方法，它可以沿曲面的凹凸变化进行加工，提供了平行切削、螺旋切削等走刀方式，正好符合复杂曲面凹凸变化大的特点。对该零件来说，在编程时仍然采用沿扫描方向的行切削，但这时的行切削与粗加工时在层内的行切削不同，粗加工时层内的Z值不变化，只能沿Z方向一层层的切削，而这里的Z坐标值随着曲面的起伏而变化，这是对反向工程数据采集阶段三坐标测量机测量数据的一种再现。为了提高加工精度，走刀方式由往复式改为单向走刀式，虽然加工时间长一些，但加工精度较高，这符合精加工编程精度优先的原则。切削参数为：主轴转速3000r/min，刀具直径、进退刀方式和粗加工一样，表面粗糙度0.01mm，行切削的行间加工步长则根据前述的残留刀痕高度法来确定。将各相关参数选定，加工步长设定为0.01mm。图4 是按上述方式和参数进行编程的电话机听筒的外表面精加工模拟图，可见用残留刀痕高度法来控制加工步长，可以获得较高的表面加工质量。

　　2. 6 数控加工程序的后处理

要使编制的程序在加工中心上实现，还得把“*.cl”格式的刀具轨迹文件转换为加工中心能够接受的，后缀为“demo”的G 代码文件。通过Cimatron 的加工管理环境把对应的电话机听筒的外表面的刀具轨迹文件转换为G 代码文件，在加工中心工作台上完成工件毛坯的安装、调试后，将生成的G 代码文件通过计算机输入到加工中心控制系统，就能在工件毛坯上复制出通过反向工程反求出的电话机听筒的外表面的复杂型面。

3 结 论

　　在实物自由曲面的反向工程中，需要对零件复杂曲面进行数控加工编程，是反向工程的重要环节之一，只有选择合理的加工方法、切削用量、加工余量、走刀方式、进退刀方式等工艺参数才可以以较高的切削加工效率，好的成型质量和最佳的加工粗糙度的曲面。层切法是一种高效的加工方法，根据所加工曲面的具体几何拓扑关系，在Cimatron 的CAD/ CAM 集成环境下，对平缓型曲面用“WCUT”进行粗、精加工，对凹凸型曲面先用“WCUT”进行粗加工，再用“SRFPKT”进行精加工是一种既可提高加工效率，又可获得较好的表面加工质量的途径。