一種薄殼零件編程加工技術*

井平安 ， 譚桂玲 ， 楊建新 ， 于宗宇 ， 李 睿

（1.清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084；2.天津現代職業技術學院 天津 300350；3.北京精雕集團，北京 102308）

乒乓球是一個規則的薄殼類零件，要想在乒乓球表面進行雕刻，需要對乒乓球進行準確的建模，選擇合理的編程加工方法。課題組對乒乓球表面加工選擇了兩種不同的編程加工方法，一種是采用在機測量技術[1]，在乒乓球表面建立測量點，對其進行探測，然后根據探測結果進行加工；另一種編程方法不采用在機測量技術，直接在乒乓球上表面頂點建立坐標系原點，然后對零件進行編程加工。通過兩種編程及加工方法的對比，觀察最后的加工效果，為后續類似零件加工提供思路。

1 零件分析及編程過程

1.1 零件及工藝分析

1.1.1 零件分析

本課題所要加工的對象為乒乓球，2000年后，標準乒乓球直徑為40 mm，重量為2.53 g~2.70 g，厚度約為0.42 mm。因此，乒乓球為一個標準的、均勻的薄殼體零件。根據乒乓球的特點，要想在乒乓球表面進行雕刻，需要合理設置乒乓球坐標系、進給速度和吃刀深度。因重量較輕，故乒乓球殼體厚度較薄，在加工過程中極易將乒乓球殼體刻穿或刻得厚薄不一。根據乒乓球的特點，擬采用兩種編程方式，兩種編程方式都將加工坐標系原點設置在乒乓球上表面最高點，一種為直接對刀加工；另一種為采用在機測量技術，對乒乓球表面進行曲面測量，重新擬合曲面，然后再進行加工[2]。

1.1.2 工藝分析

零件毛坯表面較為簡單，為φ40標準球體，需要對球體表面進行加工；將工件坐標系X、Y選擇放在乒乓球中心，將Z坐標放在工件上端面。根據零件體積和需要加工表面的特征，確定選用五軸機床進行加工，課題組選用北京精雕JDGR100五軸機床。根據所需加工零件的特征確定工序及刀具的選擇。根據分析，此零件加工采用多軸加工組里面五軸曲線加工這一加工方法進行加工，因所加工圖案較小且圖案復雜，加工刀具擬采用“[錐度平底刀]JD-30-0.20”。零件裝夾采用自制夾具的方法進行加工，具體加工工藝卡片如表1所示。

表1 加工工藝卡片

1.2 零件建模及夾具設計

采用三維建模軟件SolidWorks，按照國際乒乓球標準，建立一個直徑40 mm、殼厚0.42 mm的乒乓球模型。針對乒乓球特點，固定裝夾擬采用氣動吸附的方式，因此設計一個乒乓球加工卡具，使得乒乓球能夠順利地吸附在卡具上。然后利用SolidWorks建立卡具三維模型，并提前將卡具加工出來，實驗是否吸附順利。卡具制作完成并經過實驗吸附正常后，利用SolidWorks軟件，將乒乓球和卡具模型進行裝配，得到乒乓球和卡具裝配體后，將裝配體模型轉化為IGS格式模型[3]備用。乒乓球模型如圖1所示，乒乓球和卡具裝配體如圖2所示。

圖1 乒乓球模型

圖2 夾具乒乓球組合圖

1.3 零件編程

1.3.1 編程準備

本次加工所選用的編程軟件為北京精雕集團Surfmill9.0。首先，進行編程前的準備工作，打開Surfmill9.0，進入到3D造型環境下，點擊文件—輸入—選擇三維曲線曲面—選擇上文所述準備好的在SolidWorks軟件中導出的IGS格式的乒乓球和夾具裝配體，分別將乒乓球和夾具放置在不同的圖層中，以方便編程。將需要在乒乓球表面雕刻的圖案提前準備好，選擇DXF格式圖案，課題組選用清華大學校徽作為乒乓球表面雕刻圖案。在Surfmill9.0中，切換到2D造型模式下，文件—輸入—所有格式文件，選擇DXF格式，導入需要在乒乓球表面進行雕刻的圖案文件，并檢查確保圖案間距大于0.2 mm，以確保所選刀具能夠加工。至此，零件編程前的前期工作準備完畢。

1.3.2 編程過程

打開編程軟件Surfmill9.0 2D繪制模式，將上文所提校徽圖案并入到3D環境，然后將圖案包裹在乒乓球表面，如圖3所示。包裹過程中，根據實際包裹效果微調圖案大小和包裹位置，盡量使得圖案大小合適地從乒乓球Z軸正上方包裹到乒乓球上。采用第一種加工方法進行加工時，需要在乒乓球表面布置在機測量測量點，在測量點布置過程中一定要注意，所布置測量點范圍要大于包裹在乒乓球上所要雕刻的圖案范圍，否則在后續加工過程中會報錯。課題組本次在乒乓球表面布置5×5共25個測量點，所布測量點如圖4所示。布置測量點后，進入正式的五軸曲線加工路徑，按照工藝路徑所設置參數輸入相關參數，然后一定要在測量補償里勾選上面所設置的測量路徑。采用第二種加工方法進行加工時，直接進行五軸曲線加工路徑的編程，無需進行在機測量編程和設置，也無需勾選測量補償[4]。

圖3 所布圖案

圖4 所布測量點

1.4 機床模擬與輸出

選擇加工模式下的幾何體安裝，將乒乓球和夾具組合體安裝在機床上，點擊自動擺放，觀察零件和夾具安裝是否到位，如有偏差可通過相關命令進行調節，確保零件和夾具安裝與實際安裝過程相同，幾何體安裝如圖5所示。在幾何體安裝過程中，加工坐標系選擇G54坐標系[3]。幾何體安裝完畢，選擇機床模擬命令，對所編寫的兩種加工方法的路徑分別進行模擬，如果在模擬加工過程中報錯，需要查找所編寫路徑組[5]及時進行相應的修改，一定要確保機床模擬無誤。若機床模擬沒問題，對兩個路徑組分別進行輸出。仿真模擬過程如圖6所示。

圖5 零件和夾具安裝

圖6 仿真模擬

2 加工過程

準備好編程和仿真過程中所需要的零件毛坯、夾具和刀具、測頭等物品。按照在編程中所設置的刀號、夾具、毛坯，將加工過程中需要用到的刀具、夾具和毛坯分別安裝在所進行加工的機床上。安裝完畢后，首先需要對刀具進行對刀，利用對刀儀對加工刀具進行對刀操作，對刀完畢后，對零件進行對刀操作。兩種不同的編程方法[6]所需進行的對刀操作也有所不同，采用第一種在機測量技術，對刀不需要很精確，在大概位置就行，因為在機測量后會自動進行修正；采用第二種加工方法加工過程中，對刀精度一定要精確，否則可能出現加工過程中部分位置加工不到或加工深淺不一的情況。加工過程如圖7所示，加工后零件成品如圖8所示。

圖7 實際加工

圖8 成品零件

3 總結

通過對薄殼類典型零件乒乓球表面的加工，驗證了兩種加工方法均能實現加工效果。第一種方法適合于有測頭、可以進行在機測量時使用，加工過程中對刀比較方便，加工精度比較高，但是需要在編程時建立對應的在機測量程序；第二種加工方法適合沒有測頭時使用，但是第二種加工方法對零件毛坯，也就是乒乓球的精度要求極高，在手動過程中有著較嚴格的精度要求，加工過程中操作相對復雜。當然本次加工的為薄殼類工藝品，未對產品精度再做進一步檢測，希望這兩種加工方法及編程加工過程能為同類薄殼類零件加工提供一定的參考。