基于Cimatron E自由曲面五轴加工技术的研究

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。具体加工工艺方案如表1。