基于五轴数控机床的膝关节复杂曲面高效加工策略

0 引言

　　随着计算机技术的迅速普及和CAD／CAM技术的广泛应用，复杂曲面产品从设计造型到制造都有了很大的发展，产品制造的周期也越来越短。五轴数控加工技术以其快速性、高效性在工业制造领域得到了广泛的应用。笔者在对膝关节应用逆向工程方法进行曲面建模的基础上，研究了PowerMILL软件提供的各种刀具路径和高效加工策略，并在加工膝关节的过程中进行了应用和验证，而且在DMU60P五轴数控加工中心上完成了膝关节复杂自由曲面的加工，取得了较好的效果。

1 刀具路径策略的对比分析

　　1.1 粗加工策略的对比分析

　　对三维模型部件进行粗加工的方法称之为三维区域清除策略，它提供了多个二维材料清除方法来从零件的最上层轮廓，按用户指定的z向高度逐个切面依次逐层向下加工等高切面，直到零件轮廓。PowerMILL软件提供的粗加工策略有平行区域清除、捅铣、轮廓区域清除及偏置区域清除四种方式，本文仅讨论三种方式。

　　1.1.1 平行区域清除策略

　　按激活Z向高度在毛坯上按零件外形做一系列的平行路径清除材料余量，随后(如果需要)绕部件运行轮廓路径，以在等高切面上留下恒定的余量。该策略刀具路径平行、效率较高、计算速度快，一般用于结构简单的零件的粗加工。

　　1.1.2 轮廓区域清除策略

　　轮廓区域是指刀具在激活z向高度上按零件外形偏置一个距离进行加工，直至加工完全部毛坯区域。

　　1.1.3 偏置区域清除策略

刀具路径偏置模型切削层面的轮廓线，用于复杂零件的粗加工在加工中应用最广泛，通过改变参数的设置可以实现多种形式的粗加工，如残留粗加工、平坦面粗加工等。现给出一个实例对三种刀具路径特点进行对比，粗加工刀具路径对比如图1所示。

　　综合以上分析，可以看出偏置区域清除策略的提刀次数较少，刀具负载相对较小。适用范围较广。对于膝关节模型来说，其外形并不规则，使用偏置区域清除策略的效率会相对较高。因而最终采用偏置区域清除策略作为膝关节毛坯粗加工的刀具路径策略。

　　1.2 精加工策略的对比分析

　　PowerMILL软件中精加工刀具路径策略极为丰富，约有近23种之多，本文仅对膝关节加工中可能遇到的刀具路径策略，从中选用最佳刀具路径进行加工。将关节分为上下两部分进行加工：模型顶部采用三维垂直加工方式，模型下部采用旋转加工方式。在模型整个的精加工过程中可能会用到的刀具路径策略有三维偏置精加工、等高精加工、平行精加工(单向连接)、交叉等高精加工、平行精加工(双向连接)、参考线精加工、直线投影精加工和旋转精加工等。

　　本文分别使用以上方法在软件里进行了尝试，现对比分析如下。

　　1.2.1 膝关节模型顶部的刀具路径对比分析

　　膝关节模型顶部精加工策略对比及刀具路径，见表1及图2。相关参数：主轴转速为5 000r／min，切削进给速度为1 000mm／min，下切进给速度为500mm／min，掠过进给速度为5000mm／min，行距为0．5mm，刀具为R6球头铣刀。

图2 模型顶面精加工路径 

　　经表1对比分析，并综合考虑加工效率时效，最终选定顶部的加工方式为：半精加工时采用平行精加工(双向连接)，精加工时采用交叉等高精加工，以提高加工表面的质量。