人頭模型五軸精雕加工

暢美妮

摘 要： 本文通過對人頭模型進行五軸精雕技術加工工藝分析，通過分層粗加工、曲面投影精加工、平行截線精加工等多軸數控加工工藝的選擇，論述如何通過五軸精雕技術對無規則的復雜曲面進行高速、精密的加工，從而有效保證人頭模型的加工精度、提高加工效率和產品質量。

關鍵詞： 人頭模型；五軸精雕；加工工藝

前言

在機械加工中，往往會碰到由無規則變化的自由曲面構成的復合體零件。以人頭模型為例，其曲率變化沒有規律，形狀構造也沒有基準，使用三軸數控機床根本無法進行加工，必需采用高精度的五軸數控機床精雕加工。常用的UG、PowerMill、JDSoft SurfMill等軟件都具備多軸加工能力。本文使用JDSoft SurfMill軟件，論述人頭模型的五軸精雕加工工藝及加工策略。

1.人頭模型分析

如圖1所示，人頭模型屬于曲面無規則，形狀特殊，造型復雜的產品。零件模胚是底面直徑32mm的圓柱體，材料為ABS。產品加工要求表面光滑，無銜接痕。其加工工藝分析如下：

a）沒有規則的平面，傳統的加工方法無法滿足要求。

b）造型復雜，曲面的曲率變化隨意，增加刀具路徑的難度。

c）頭發紋路細小，凹凸不平，曲面投影加工差異大。

d）擁有眾多主要負角面區域，如圖2所示，較難加工。

2.工藝設計

工藝設計直接影響加工效果和加工效率。根據人頭模型的形狀特點，制定合理的加工工藝是五軸精雕加工的關鍵。首先根據產品的材料與加工難易，考慮選取合適的加工方式及加工刀具，其次在保證質量的前提下，優化加工工藝。具體分析如下：

2.1選用粗加工刀路分接面

粗加工時，為了提高加工效率，在滿足加工要求的前提下，盡可能采用較少的軸數加工，因此決定毛坯開粗時采用3+2定位加工及軸向走刀方式，使開粗殘料均勻，加工效率與三軸開粗基本相當。

粗加工刀路分接面的選擇應避免在人臉的表面上，盡可能選擇在不影響外觀、質量和精度的曲面上。基于以上原則，人頭模型的刀路分接面應避開人臉，選取以左右耳朵為中心平面作為刀路的分接面，如圖3所示。

2.2選擇分層粗加工

根據人頭模型曲面側壁有陡峭，加工厚度大的特點，采用分層粗加工方式進行粗加工，以確保大量去除材料的同時提高加工效率和切削的平穩性[1]，分層粗加工以粗加工刀路分接面為基準，設計人頭模型前后兩部分分層粗加工路徑，如圖4所示。

2.3應用曲面投影精加工

人頭模型頭發紋路細小，曲率變化隨意，除頭頂紋路有同向性外，其它曲面都較復雜且變化多，又由于表面粗糙度要求高，無刀紋銜接痕，因此，人頭模型頭頂下的四周輪廓面的加工選用曲面投影精加工方法，用曲面法向進行投影，并依據導動面的流線生成初始路徑，再按照投影方向在加工面上生成多軸聯動的精加工路徑[2]，以確保加工曲面光滑過渡，增加曲面、側壁的加工質量和加工流暢性，曲面投影精加工路徑如圖5所示。

2.4采取平行截線精加工

根據人頭模型頭頂輪廓面的形狀特點，采取平行截線精加工方式既能減少控制軸的大幅擺動，提高加工效率，又可以簡化刀具路徑的生成，比曲面投影精加工方式更具有優勢。因此，優化加工思路，人頭模型頭頂下的四周輪廓面采用曲面投影精加工方式，而頭頂則采用平行截線精加工方式，如圖6所示。

2.5加工刀具的選用

人頭模型采用ABS材料，其所需的切削力小，切削熱少，切削熱量主要由切削碎屑傳出。但由于ABS的熱導率低，熔點也低，積聚的熱量不易傳導，容易致使切削區的塑料變軟，使加工表面出現涂抹現象。因此，加工刀具要盡量鋒利，排屑順暢。在分層粗加工時，考慮到排屑順暢及加工的高效性，選用螺紋槽銑刀φ3.175；在曲面投影精加工和平行截線精加工時，為增加曲面加工的精細度，增強人頭模型輪廊的表現細膩性，均選用球頭刀D4R0.5mm。

3.加工策略

3.1分層粗加工

機床配置中，機床類型的正確配置是機床模擬、路徑加工時間計算和準確輸出多軸路徑的關鍵。在分層粗加工機床設置中，定義A軸正向旋轉90°，C軸在0°和180°相互轉換，以便在開粗時C軸能對人頭模型前后部分快捷轉換，提高加工效率。

根據工藝設計，毛坯設置加工材料為直徑32mm的ABS圓柱，旋轉軸為Z軸。以刀路分接面為對稱中心平面，設置毛坯形狀和導動面共同限定加工域，生成多軸聯動的分層粗加工路徑[3]。并在分層開粗時，采用分層環切走刀，使刀路圓滑過渡，減少精加工時的去除余量。根據ABS材料特性，開粗時應高轉速、大走刀，選用螺紋槽銑刀φ3.175 mm，設定補償余量為0.2 mm，主軸轉速6000r/min，進給量5mm/s。使用分層方式為限定深度0.1mm，采取螺旋下刀方式，選擇從毛坯外部下刀，設置的路徑間距為2mm（≥刀具直徑的50%）。在參數設置中要選中‘環切并清角、‘ 光滑路徑選項，以避免因加工路徑間距過大而留下殘料，光滑路徑是為了提高了加工的流暢性。為了保證人頭模型前后加工路徑之間銜接的順利，深度范圍參數的底面高度應設置-0.5 mm，以保證前后加工清除余料到位，生成前部分和后部分分層粗加工路徑如圖4所示。將前后部分分層粗加工路徑分別進行加工過程實體模擬、機床模擬、路徑過切檢查和刀柄碰撞檢查，在保證路徑的準確性和機床的安全性后，輸出粗加工文件。

3.2曲面投影精加工

在分層粗加工的基礎上，通過曲面投影精加工方式對工件表面的余量進行精密處理，提高產品的加工質量及表面粗糙度。

采取曲面投影精加工對人頭模型臉面四周進行加工，依據人頭模型曲面特點，在人頭模型臉面四周繪制導動面，如圖7所示。根據導動面的U流線方向生成初始投影路徑，利用輔助導動面和刀軸控制方式將初始路徑投影到加工面生成加工路徑[4]。在刀具設置中，選擇球頭刀D4R0.5，主軸轉速11000r/min，進給速度2mm/s，路徑間距0.05mm。

將人頭模型頭頂下的四周曲面選為加工面，將準備工作中在頸下繪制的保護面選為保護面，將導動面選擇到輔助加工域中，并在刀具路徑參數中進行曲面投影加工的相關參數設置。選取‘螺旋走刀方式和曲面‘法向投影方向，在刀軸方向參數設置中，定義刀軸控制方式為與指定旋轉軸Z成70°傾斜角。

同理，刀具路徑參數設置完畢，生成曲面投影精加工刀具路徑，如圖5所示。將加工路徑分別進行加工過程實體模擬、機床模擬、路徑過切檢查和刀柄碰撞檢查，保證路徑準確與機床安全后輸出精加工文件。

3.3平行截線精加工

平行截線精加工特別適用于曲面較復雜但陡峭面不多的場合，根據工藝設計，人頭模型頭頂滿足平行截線精加工方式的加工需求。在刀具路徑參數中設置平行截線精加工路徑間距0.2mm，應用‘切向進刀方式和‘往復走刀，修邊量在0.03mm，選擇球頭刀D4R0.5，主軸轉速9000r/min，進給速度2.4mm/s。

同理，刀具路徑參數設置完畢，生成平行截線精加工刀具路徑，如圖6所示。將加工路徑分別進行加工過程實體模擬、機床模擬、路徑過切檢查和刀柄碰撞檢查，無誤后輸出精加工文件。

需要注意的是在人頭模型頭頂生成平行截線精加工刀具路徑參數設置中，為了保證人頭模型臉面四周的曲面投影精加工路徑與頭頂的平行截線精加工路徑之間順利銜接，設置平行截線精加工刀具路徑與曲面投影精加工路徑有小部分重疊，如圖8所示，這樣能有效提高曲面加工質量，避免兩種刀具路徑在人頭模型加工中產生刀浪缺陷。

3.4加工流程及重要參數

根據以上工藝與策略分析，制定的加工流程及部分重要參數如下：

4.五軸精雕加工

依據工藝設計、加工策略指導，采用500DRT型號機床進行五軸精雕加工。在機床中打開精雕控制軟件，調入分層粗加工四軸路徑文件，選擇螺紋槽銑刀φ3.175mm加工的路徑，裝上螺紋槽銑刀φ3.175mm進行定義對刀基準。對工件進行分中操作，定義工件原點中的X，Y，Z值，按F5轉換多軸路徑[5]。檢查設置的定位高度、慢下速度、慢下距離等安全參數。在對刀過程中，確保準確性，以減少分層粗加工前后部分引起的刀路對接偏差大，錯位大，銜接不順暢等缺陷。

打開試切模式，并開啟正壓密封，給轉速，啟動試切加工，通過試切加工，進一步確認刀具路徑的可行性，檢驗加工的安全性和刀具的干涉性。確認沒問題后暫停，取消試切模式，正式啟動正常加工。

前后兩部分層粗加工完成后，暫停機床，更換球頭刀D4R0.5，調入曲面投影精加工五軸路徑文件，同理，按上述操作方法對工件進行對刀、定義坐標，并進行試切運行，再進行正常加工，如圖9所示。

同理，曲面投影精加工完成后，直接調用平行截線精加工五軸路徑文件，由于使用相同的刀具，故不用對刀和定義刀具，直接打開試切運行，再進行正常加工。

5.小結

在人頭模型五軸精雕加工時，設計分層粗加工、曲面投影精加工和平行截線精加工等合理工藝，采用高速、精密五軸數控加工手段，有效地保證人頭模型的加工精度，提高效率和產品質量，加工好的人頭模型如圖10所示。

在人頭模型加工中應注意以下幾點：

（1）分層粗加工的底面高度一定要設置負值，確保余料清除干凈。

（2）曲面投影精加工的導動面繪制應包裹住人頭模型臉面四周的所有輪廓，以保證生成正確的曲面投影精加工刀具路徑。

（3）正式加工之前一定要進行試切加工，確保正常加工的安全。

參考文獻

[1] 第喜江.多軸數控加工中心編程與加工技術[M].北京：化學工業出版社.2014.

[2] 孫玉文，徐金亭，任斐，郭強.復雜曲面高性能多軸精密加工技術與方法[M].北京：科學出版社.2014.

[3] 北京精雕公司.模具設計與加工-surfmill使用說明書[M].北京：北京精雕公司.2008.

[4] 進取者軟件公司.ES-SurfMill使用說明書[M].北京：北京進取者軟件公司.2009.

[5] 北京精雕公司.五軸精雕機床CNC500DRT使用說明書[M].北京：北京精雕公司.2013.