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。