基于五轴数控机床的膝关节复杂曲面高效加工策略

　　首先利用PowerMlLL软件带有的Exchange模块导入模型。参数设定一般包括设定坐标系、设定毛坯和设定加工参数三部分。

　　1)设定坐标系：查看模型属性，确定X、Y、Z三个方向上的最大尺寸，然后建立加工坐标系。建立加工标系一般根据以下原则：取工件坐标系为加工坐标系；坐标原点要定在有利于测量和快速准确对刀的位置；根据机床坐标系和零件在机床上的位置确定加工坐标轴的方向。接着根据模型的形状特征设置毛坯的大小。

　　2)设置毛坯尺寸：在PowerMILL中毛坯扩展值的大小设定很重要，设置过大则增人计算量，影响编程的效率，没置过小则有可能会在加工过程中出现干涉，一般应参照实际毛坯大小设定。奉次加工所使用的足铝棒料，毛坯大小是按照实际毛坯尺寸设定的，有富余的加工余量，不会发生十涉，因而毛坯拓展值设置为零。

　　同时毛坯的设置还应考虑装矗部分，否则有可能在加工时刀具夹持部分与夹具发生碰撞，产生严重的事故。综合考虑：毛胚直径由模型最大处决定，而毛胚高度H则由模型、刀具加持及夹具三者共同觉定，装夹示意图如图7所示。

　　3)加工参数的设定：加工参数的设定主要包括主轴转速、切削进给速度、下切进给速度、刀具及其参数等。由于加工用的毛坯材料为L12普通铝，具有非常好的切削性能，其切削进给速度可以达到360-600m／min。根据切削参数的选用原则，本次选用的切削参数如表3所示。

　　3.2 生成刀具路径及路径优化

　　3.2.1 设置刀具路径

　　在选择刀具路径策略之前，首先要对模型的特征进行认真的分析，然后根据模型的特征有针对性地选择合适的刀具路径策略。

　　观察发现模型曲面为复杂自由曲面，上部较为平坦，而中下部分却较为陡峭，因而粗加工时，适合选用偏置区域清除策略进行粗加工，余培为1 mm。而半精加工时在模型顶部采用平行精加工(舣向连接方式)，余量为0.3mm，而对中下部采用直线投影精加工的策略。余量为0.3mm。精加工时，上部采用交叉等高精加工策略，而中、下部区域仍然采用直线投影精加工策略，不同的足设置更密集的行距，以提高表面的质量。对于曲面文字部分，采用参考线精加工的方式，刀轴指向采用固定方向，通过设置合理的参数来控制刀轴指向以免发生碰撞。此步完成后生成的刀具路径如图8所示。

图8  刀具生成路径 

　　3.2.2 刀具路径优化

　　在设置完刀具路径之后，还应对路径进行合理的优化，以提高加工效率。如在对关节顶部进行半精加工时，发现有过多的提刀和部分无用的切削路径，于是采用了双向连接方式并剪去无用的刀具路径，刀具路径优化对比如图9所示(相关参数：主轴转速为6 000r／min，切削进给速度为2 500mm／min，下切进给速度为200mm／min，掠过速度为3 000mm／min，行距为0.5mm，刀具为舶球头铣刀)，优化后时间由原来的15’29”缩短为3’48”，时间减少近75％，极大地提高了加工效率。

图9 刀具路径优化对比 

　　3.3 模拟仿真，过切碰撞检验

　　模拟仿真的目的是检验一下生成的刀具路径是否合理，加工出的表面是否合乎预期，以及是否有未加工或欠加工的区域。过切碰撞检查是PowerMILL软件提供的一个用于确保加工过程安全可靠的一个工具。同时也可借助它发现路径或者参数设置的一些问题，防患于未然，提高安全系数。