印章外形四軸數(shù)控加工仿真研究

肖軍杰， 昌德兵， 張博， 董靜， 陳海茹， 高遠(yuǎn)

（北京印刷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，北京102600）

0 引言

印章是一種文具，用于蓋在文件上表示鑒定或簽署。一般印章都會(huì)先沾上顏料再印；不沾顏料、印上平面后會(huì)呈現(xiàn)凹凸圖案的稱(chēng)為鋼印；有些是印于蠟或火漆上、信封上的蠟印。印章材質(zhì)有金屬、木材、石頭、玉石等。現(xiàn)代公文印章的外形通常設(shè)計(jì)為空間曲面，雖然增加了美觀性，但是也增加了制造難度。

隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工使得加工空間曲面變?yōu)榭尚小＿\(yùn)用MasterCAM等軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工運(yùn)動(dòng)仿真和刀具軌跡代碼生成，代替了原有的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，大大提高了設(shè)計(jì)、制造效率，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省了研發(fā)成本。本文針對(duì)印章的曲面外形加工，對(duì)其四軸加工仿真進(jìn)行了研究［1-3］。

1 曲面印章數(shù)字建模

選擇典型公文印章進(jìn)行數(shù)字建模。公文印章外形分3部分：上部為球形，中部為細(xì)腰形，下部為圓柱形。印章的數(shù)字建模在SolidWorks中進(jìn)行，印章總高度為60 mm，上部球形直徑為40 mm，腰部圓弧半徑為10 mm，底面圓柱直徑為50 mm，腰部和底面圓柱之間的過(guò)渡部分圓角半徑為3 mm。

2 數(shù)控工藝分析

從圖1可見(jiàn)，印章為回轉(zhuǎn)體零件。如果使用普通三軸數(shù)控機(jī)床加工印章，不僅裝夾次數(shù)多、生產(chǎn)效率低，而且精度難以保證，在Z向會(huì)產(chǎn)生加工層間臺(tái)階形狀誤差。所以選用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工該曲面，提高印章加工精度。四軸數(shù)控加工通過(guò)具有4根直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸X、Y、Z和1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 A（或軸 B）的數(shù)控機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)，隨著機(jī)械加工精度的要求和零件復(fù)雜性的不斷變化，四軸數(shù)控加工設(shè)備越來(lái)越多。對(duì)于復(fù)雜空間曲面的加工制造，多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于平面、三軸加工技術(shù)。具體而言，在以往的三維零件型面加工過(guò)程中多采用三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，其特征是加工軸線(xiàn)始終不變，即始終平行于Z坐標(biāo)軸。對(duì)于較為復(fù)雜的異形零件，如螺旋槳葉片、渦輪葉片、復(fù)雜模具零件等，往往需要多次裝夾并使用專(zhuān)用工裝夾具，還難以保證加工精度。若采用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，可有效控制刀具和曲面切削點(diǎn)法矢夾角，使切削余量相對(duì)均勻；并可一次裝夾加工成形，大大提高加工效率，保證加工精度。

圖1 印章數(shù)字模型

3 印章外形四軸數(shù)控加工

MasterCAM軟件是美國(guó)CNC Software公司開(kāi)發(fā)的基于PC平臺(tái)的CAD/CAM系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、模具制造、汽車(chē)工業(yè)和航天工業(yè)等領(lǐng)域。它支持曲面高速、高精度加工和多軸（四軸、五軸）加工［4-8］。應(yīng)用其多軸加工功能模塊，可方便、快速地編制高質(zhì)量的多軸加工數(shù)控程序。

MasterCAM提供了多種復(fù)雜零件的粗精加工方法，根據(jù)零件的外形結(jié)構(gòu)選擇不同的加工方法，大大提高了零件的加工效率和質(zhì)量。零件加工的刀位軌跡一般分粗加工軌跡、半精加工軌跡和精加工軌跡，根據(jù)需要，可自動(dòng)生成各階段的數(shù)控代碼。

3.1 模型導(dǎo)入

工業(yè)界經(jīng)常采用多款軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等，以達(dá)到發(fā)揮每款軟件的優(yōu)勢(shì)，因此，文件格式的轉(zhuǎn)換就不可避免，對(duì)于SolidWorks和MasterCAM系統(tǒng)間的文件轉(zhuǎn)換，可采用x_t格式，iges格式等進(jìn)行轉(zhuǎn)化、導(dǎo)入［3］。印章模型采用x_t格式導(dǎo)入。

3.2 印章數(shù)控加工流程

模型導(dǎo)入后，主要加工表面為回轉(zhuǎn)體的外形表面，可以采用四軸加工，工件底面安裝在工作臺(tái)上，印章的數(shù)控加工流程見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)控加工代碼生成流程圖

3.3 數(shù)控加工代碼生成及仿真驗(yàn)證

導(dǎo)入模型，雙擊“機(jī)床類(lèi)型”，選擇“銑床”命令，展開(kāi)“屬性”操作命令，進(jìn)入材料設(shè)置對(duì)話(huà)框，在“形狀”選項(xiàng)組中選擇“實(shí)體”單選按鈕，如圖3所示，進(jìn)行確定，得到毛坯。考慮到工件底面水平放置，選擇工件底面中心為編程原點(diǎn)，選擇工件旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)為A軸。

圖3 材料屬性設(shè)置對(duì)話(huà)框

需要說(shuō)明的是，在MasterCAM X5版本中，四軸旋轉(zhuǎn)加工已經(jīng)并入五軸旋轉(zhuǎn)加工選項(xiàng)，實(shí)際應(yīng)用中定義四軸即可。選擇刀具路徑中的“多軸刀具路徑”，進(jìn)行四軸加工參數(shù)設(shè)置，分別定義好刀具路徑參數(shù)、刀具加工參數(shù)和旋轉(zhuǎn)四軸等參數(shù)，其中，刀具選擇240＃，刀具直徑為6 mm，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖4。

圖4 刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)

多軸加工參數(shù)設(shè)置第四軸時(shí)，當(dāng)選擇“X軸”，表示刀具旋轉(zhuǎn)軸垂直于X軸，即刀具在YZ平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)選擇“Y軸”，表示刀具旋轉(zhuǎn)軸垂直于Y軸，即刀具在ZX平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)；印章加工選擇“Z軸”，即刀具旋轉(zhuǎn)軸垂直于Z軸，刀具在XY平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。參數(shù)設(shè)置完畢后，進(jìn)行刀具軌跡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 刀具加工軌跡

為了檢驗(yàn)4軸刀具軌跡的準(zhǔn)確性，有必要進(jìn)行刀具的運(yùn)動(dòng)仿真，而MasterCAM X5提供了強(qiáng)大的集成仿真校驗(yàn)功能模塊，能夠?qū)φ麄€(gè)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)行包括夾具、工件、刀具在內(nèi)的干涉檢查。利用MasterCAM的加工仿真模塊，檢驗(yàn)刀具是否發(fā)生碰撞和過(guò)切；加工中，工件固定，刀具圍繞模型軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)加工。圖5給出了印章虛擬加工過(guò)程中的仿真示意圖。

圖6 加工仿真示意圖

圖7 G代碼數(shù)控程序

如果在加工過(guò)程中出現(xiàn)干涉問(wèn)題，則對(duì)刀具軌跡進(jìn)行修正；若無(wú)問(wèn)題，通過(guò)操作管理對(duì)話(huà)框的G1按鈕，生成G代碼，見(jiàn)圖7。最后，檢查G代碼，并對(duì)代碼修改翻譯，使之成為機(jī)床可用的數(shù)控代碼，就可生產(chǎn)加工實(shí)際零件。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)印章在SolidWorks中的數(shù)字化設(shè)計(jì)和MasterCAM X5中的數(shù)控加工，例證了產(chǎn)品在不同軟件之間實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化的方法；四軸加工主要用于制造具有回轉(zhuǎn)軸的零件或者近似回轉(zhuǎn)體的曲面零件；通過(guò)數(shù)控仿真軟件進(jìn)行自動(dòng)數(shù)控編程，獲得機(jī)床識(shí)別的G代碼，彌補(bǔ)了人工編程的諸多問(wèn)題，顯著提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率。

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