人头模型的逆向造型设计及其五轴加工

1 引言

　　逆向工程是适应实践需要而产生的一项新的造型技术，主要用于没有工程图纸的情况下的产品制造。本文以人头模型为例，探讨人头模型的逆向造型设计及其数控加工。这项研究不仅对于提高复杂曲面零件制造技术具有重要意义，而且将其作为一个教学实训项目，对于整合高等职业院校现有教学资源，完善学校的实训教学工作，开阔学生眼界，为社会输送高技能应用人才，也将起到积极作用。

2 零件建模

　　本文所采用的造型主要采用Ceomagic Studio实现自南曲面全逆向NURBS构的工作流程，主要有点云处理、多边形处理和曲面处理等三个关键过程。在点云处理阶段获取点云后进行着色处理以方便显示点云，进行去除体外孤点、减少噪音等操作；其次在多边形处理阶段进行填充孔、去除突起或多余特征、将多边形用砂纸打磨光滑、对多边形进行松弛操作、修复相交区域、编辑各处边界等操作。为后续的多边阶段的处理和曲面处理奠定了基础。在最后的形状阶段的主要操作分为三个阶段，第一阶段是对多边形化模型的曲面片分割，这是曲面造型方式中最为关键的一步，它决定着后续曲面重建的质量；第二阶段是对曲面片网格模型参数化的结果，该进程决定着最终曲面重建的精度，网格划分越细，曲面重建的精度就越好；第三阶段是最终曲面重建的结果，图1是由点云到最终生成曲面的整个过程。

    图1 点云到最终生成曲面的整个过

3 数控加工

　　3.1 工艺方案分析

　　加工分析人头模型零件的主要尺寸为：最大外形φ60×60mm。

　　使用多轴用三轴数控机床无法一次装夹加工完成，需采用五轴联动数控机床才可以实现一次装夹能完成加工任务。该实例主要利用NX软件自动生成加工程序，由于曲率变化较大，数控机床加工中刀轴的控制则是关键。该零件的难度在于曲率半径较小的加工区域及非连续曲面的加工精度。为了保证加工效率和精度，粗加工时采用直径较大的立铣刀，以便在短时间内去除大量余料；其次使用相对较小的球头铣刀进行半精加工，保证精加工的余料小而且均匀；最后采用直径较小的球头铣刀进行精加工，保证了人头模型的加工精度和加工质量经过分析，其加工工艺路线为：曲面零件粗加工→曲面零件半精加工→残料清根→曲面零件精加工→最终残料清根。

　　3.2 CAM加工过程

　　经过分析，最终确定加工分为四个步骤：一次开粗、二次开粗、半精加工和精加工。一次开粗是为了快速去除多余材料；二次开粗是为了清除次开粗不能加工到的部分的多余材料；半精加工是为精加工做准备，使精加工时加工量均匀：最后精加工完成模型的加工，并获得较好的加工质量。

　　加工操作：

　　(1)粗加工部分，粗加工采用定轴层铣，分别用“+X”“-X”轴做刀具轴线加工，创建两个一次开粗的操作，然后生成刀具路径。这两个刀路如图2(a)、(b)所示。粗加工程序的编制，保证人头模型在粗加工完成之后大部分材料已去除。为了提高加工效率采用φ10mm的立铣刀加工。

　　(2)半精加工部分。粗加工后余料仍然较多，需对零件进行半精加工，以保证精加工的余量均匀。使用等离线加工对人头模型进行分层铣削可以有效地去除余料。由于等高线加工方法仍然不能很好加工到一些细节部分，比如耳朵和眼睛等部位，所以最后使用残料清角的方式去除余料，使得轮廓更清晰。

　　(3)精加工部分。为满足加工精度及得到较好的表面质量，首先对人头模型进行最终精加工，然后再用φ4mm球头刀具对零件不同区域再进行清角加工，为保证零件的加工精度需求，选择合理的加工方式和走刀方法，设置合理的加上参数。

　　图2所示为加工模拟过程。

    图2 加工模拟过程

　　3.3 NC程序代码的生成后处理

　　模拟完成后进行后置处理，编制程序。

4 结语

　　本文主要利用Ceomagic和UG软件实现了由实物到CAD模型再到数控加工，对逆向造型设计和数控加工方法及工艺进行了研究。在实物建模中，曲面片网格模型参数化处理是影响最终曲面精度的关键因素，而在利用机床对人头模型零件进行加工时也应格外注意产品的特点，进行合理的加工刀路设置。研究证明，通过采用CAD设计和CNC数控加工的制造方式，可以更为便捷地实现产品的逆向工程，更有效地提高产品设计的品质。