基于NX12.0 軟件的某種卡通藝術品五軸加工研究

鄭有良，黃寧健

（廣西制造工程職業技術學院，廣西 南寧 530105）

0 引言

在日常生產中，卡通、珠寶、雕塑等造型復雜的藝術品以及人體骨骼關節替代品、人造牙齒等各種用于醫療領域異形復雜零件的加工，三軸數控機床往往難以勝任。五軸聯動加工技術是解決這類異形復雜零件高效、高質量加工難題的重要手段。本文以QQ 卡通藝術品為例研究其五軸加工策略。

1 QQ 卡通藝術品零件的技術要求和結構工藝性分析

QQ 卡通藝術品模型如圖1 所示。該零件不屬于常見的機械功能性零件，屬于觀賞類藝術品，對加工表面的尺寸精度要求不高，但對產品外觀效果要求較為精致，對各產品加工表面的質量要求較高，各曲面之間要求光滑連接，主要加工表面之間的相互位置精度要求較高，不可有明顯的接刀痕。由于該零件的材料為6061 鋁合金，為了保持加工好之后的表金屬表面光澤，避免表面氧化變暗，熱處理要求為表面陽極處理。

圖1 QQ 卡通藝術品3D 模型

從零件結構要素的工藝性來看，該零件的形狀由各種曲面和表面刻字組組成，結構要素較為復雜，有較為狹窄的內R 角，刀具不容易進入、退出和通過加工表面，加工較為困難，加工面積較大。零件用6061牌號的鋁合金材料具有良好的切削性能，對刀具的選擇具有良好的經濟性。

從零件的整體結構工藝性來看，零件有足夠的剛度，零件底部有便于裝夾的基準，該零件適合使用“一面兩銷”的裝夾定位方式。在工件的底面加工兩定位孔用于定位，在工件的底面中心加工一螺紋孔用于夾緊。工件通過底面的與夾具連接盤連接固定，再通過螺釘壓板把連接盤與機床工作臺連接固定。工件底面與夾具的接觸面積大，定位、夾緊可靠，剛性好，穩定性好，可消除相應的加工振動，避免加工表面振紋的形成，有利于提高表面加工質量。

零件的生產綱領為單件小批量生產，從經濟適應性的角度，不需鑄造毛坯，毛坯選擇鋁棒，尺寸為直徑75 mm*120 mm。

從零件的結構工藝性分析可知，由于該零件結構要素曲面較多，形狀復雜，用三軸數控機床加工非常困難，不能滿足要求。為了滿足各曲面光滑連接的加工要求，需要用到具有刀尖跟隨功能RTCP 的五軸聯動數控機床，一次裝夾多工序加工成型。五軸聯動加工技術能夠較好的計算刀尖位置，通過刀軸的擺動，完成各成曲面之間的連接。如果用三軸數控機床加工，刀軸角度固定無法調整，很多細節無法加工，二次裝夾接刀痕無法避免，曲面加工質量差，效率低。所以，根據零件結構工藝性分析的結果，機床選擇五軸聯動數控機床，可實現一次裝夾多工序加工。

2 零件定位與加工工藝路線確定

根據零件的加工工藝分析結果可知，該零件的定位基準選擇用基準重合原則。選擇底面定位基準，粗基準與精基準也要求統一。該零件的裝夾方式是將工件裝夾在夾具上，再通過夾具與機床的連接實現工件在機床上的裝夾。根據六點定位原理，該工件要限制沿Z移動、沿X移動、沿Y移動，繞X轉動、繞Y轉動、繞Z轉動等六個自由度，因此用“一面兩銷”的裝夾定位方式設計夾具。

根據工件材料的性質、工件的形狀和尺寸、生產綱領和現有設備與技術條件等確定表面加工方法為：粗銑、半精銑、精銑，按照工序集中的原則確定工藝過程。

在粗加工工序，要求采用定軸2D 分層銑削的方式，用硬質合金牛鼻銑刀，以小切削大進給的吃刀工藝，迅速去除多余材料。在半精銑和精銑工序，要求用錐度球頭銑刀以包絡法的方式，從零件頂部螺旋往下分層環繞走刀加工出各曲面。

在上五軸機床加工之前，要先對毛坯表面和底面進行預加工各光一刀，在底面中心位置提前加工好M12 螺紋孔和兩個定位銷孔。用螺柱與定位銷，把毛坯與轉接板連接固定，再用內六角螺釘把轉接板固定在機床轉臺上。工件坐標系設定在工件的上表面中心位置。

根據加工工藝方案，刀具選擇直徑10 mm 的硬質合金鋁用立銑刀開粗，R3 的球頭刀二次開粗，錐度角3°D4R2 的錐度球頭刀精加工。文字用雕刻刀刻出。

因此，該零件的五軸加工路線為：（1）90°擺放零件定軸開粗二分之一。 （2）180°擺放零件定軸開粗另外二分之一。（3）五軸聯動二次開粗。（4）五軸聯動精加工。（5）四軸聯動雕刻文字。

3 五軸加工策略

根據零件的加工路線，基于NX12.0 軟件，該QQ卡通藝術品的五軸聯動加工策略如下：

（1）“90°擺放零件定軸開粗二分之一”工序用“型腔銑CAVITY_MILL”策略。

（2）“180°擺放零件定軸開粗另外二分之一”工序用“型腔銑CAVITY_MILL”策略。

（3）“五軸聯動二次開粗”工序用“可變輪廓銑VARIABLE_CONTOUR”策略。

（4）“五軸聯動精加工”工序用“可變輪廓銑VARIABLE_CONTOUR”策略。

（5）“四軸聯動雕刻文字”工序用“VARIABLE_CONTOUR”策略。

各加工策略的設置詳細情況如下文所述。

3.1 工件坐標系和毛坯設置

加載QQ 卡通藝術品3D 模型，把工件坐標系設置在零件上表面中心位置，結果如圖1 所示。

右鍵單擊MCS，選擇“插入”“幾何體”，彈出創建幾何體菜單，類型選擇“mill_contour”，幾何體子類型選擇“WORKPIECE”，單擊“確定”后彈出工件設置菜單，點擊“指定部件”，選取圖2 所示的實體，點確定。在返回的工件設置菜單里，點擊“指定毛坯”，在“毛坯幾何體”菜單中，選擇“包容圓柱體”命令，點擊確定。在返回的工件設置菜單里，點擊“指定檢查”，選擇檢查體，點擊確定，完成WORKPIECE 的設置。

圖2 選擇指定部件

3.2 刀具設置

分別設置好“T1-D10”“T2-D4R2”“T3-D6R3”3把刀。

3.3 “90°擺放零件定軸開粗二分之一”工序

點擊“創建工序”命令，彈出“創建工序”菜單。在“創建工序”菜單中，類型選“mill_contour”，工序子類型選“型腔銑”，刀具選“T1-D10”，幾何體選“WORKPIECE”，名稱用“右面開粗CAVITY_MILL”，點確定后彈出型腔銑設置菜單。在型腔銑設置菜單中，刀軸用“指定矢量”來設定。點擊“矢量對話框”命令，彈出“矢量”設置菜單。在“矢量”設置菜單中，選擇“XC 軸”正向，確定后就完成刀軸的矢量設定，如圖3 所示。在返回的型腔銑設置菜單中，切削模式選用“跟隨周邊”。點擊“切削層”命令，進入切削層設置菜單，深度范圍改為“34”，確定，如圖4 所示。

圖3 指定矢量

圖4 修改切削層

在返回的型腔銑設置菜單中，點擊“生成”命令，生成的右面開粗刀路如圖5 所示。

圖5 右面開粗刀路

3.4 “180°擺放零件定軸開粗另外二分之一”工序

右鍵單擊“右面開粗CAVITY_MILL”刀路，選擇“復制”命令，在“WORKPIECE”下粘貼并改名為“左面開粗CAVITY_MILL”。 雙擊“ 左面開粗CAVITY_MILL”刀路，進入型腔銑設定菜單。在型腔銑設定菜單中，刀軸矢量點“反向”。點“切削層”命令，進入切削層設定菜單，切削層深度改為“34”，確定。在返回的型腔銑設置菜單中，點擊“生成”命令，生成的左面開粗刀路如圖6 所示。

圖6 左面開粗刀路

3.5 右面拐角精根工序

點擊“創建工序”命令，類型選“mill_contour”,工序子類型選“拐角粗加工”，刀具選“T3-D6R3”，幾何體選“WORKPIECE”，名稱輸入“右面拐角精根CORNER_ROUGH”。點確定后，彈出“拐角粗加工”設置菜單，刀軸選“指定矢量”，參考刀具選“T1-10”，陡峭空間范圍選“無”，切削模式選“跟隨周邊”。點擊“矢量對話框”命令，矢量選“XC 軸”正向，點確定，返回拐角粗加工菜單。

進入“切削層”命令，在切削深度里改為“34”，確定。在返回的拐角設置菜單中，點擊“生成”命令，生成的右面拐角粗加工刀路如圖7 所示。 左面拐角、前面拐角和后面拐角清根操作過程類似。

圖7 右面拐角粗加工刀路

3.6 曲面半精加工和精加工工序

點擊“創建工序”命令，進入創建工序菜單。在創建工序菜單中，類型選“mill_multi-axis”，工序子類型選“可變輪廓銑”，刀具選“T3-D6R3”，幾何體選“WORKPIECE”，名稱輸入“ 曲面半精加工VARIABLE_CONTOUR”，點確定，進入可變輪廓銑設置菜單。在可變輪廓銑菜單中，驅動方法選“曲面區域”，投影矢量選“垂直于驅動體”，刀軸選“垂直于驅動體”。點擊“曲面區域”編輯命令，進入曲面區域驅動方法設置菜單。

在曲面區域驅動方法的菜單中，點擊“編輯驅動機何體”命令，進入驅動幾何體菜單，選取圖8 中曲面為驅動曲面。點擊確定，返回曲面區域驅動方法菜單。在曲面區域驅動方法菜單，如圖9 所示，點擊“切削方向”命令，彈出方向選擇箭頭，選擇從上往下走刀的方向。材料方向為朝向外部的方向。切削模式為“螺旋”，步距為“殘余高度”，最大殘余高度為“0.0030”，切削步長為“公差”，內公差為“0.1000”，外公差為“0.1000”。點擊確定，返回可變輪廓銑菜單。在可變輪廓銑菜單中，點擊生成命令，計算的刀路結果如圖10所示。

圖8 驅動曲面

圖9 曲面區域驅動方法菜單

圖10 曲面半精加工刀路

以上所述為曲面半精加工的設置過程。曲面精加工只需把曲面半精加工的刀路復制，根據實際情況調整刀路的步距。

3.7 切槽工序

選擇“創建工序”命令，在的創建工序菜單中，類型選擇“mill_multi-axis”，工序子類型選擇“可變輪廓銑”，刀具選擇“T1-D10”，點擊確定，進入可變輪廓銑設置菜單。

在可變輪廓銑設置菜單中，驅動方法選擇“曲線/點”，投影矢量選擇“刀軸”，軸選擇“垂直于部件”。點擊“曲線/點”編輯命令，選擇相應的曲線，點擊確定，返回可變輪廓銑設置菜單。在可變輪廓銑菜單中，點擊生成命令，計算切槽刀路的結果如圖11 所示。

圖11 切槽刀路

3.8 文字雕刻工序

點擊“創建工序”命令，在彈出創建工序菜單中，類型選擇“mill_multi-axis”，工序子類型選擇“可變輪廓銑”，刀具選擇“T2-D4R2”，幾何體選擇“MCS”，名稱輸入“文字雕刻VARIABLE_CONTOUR”，點擊確定進入可變輪廓銑設置菜單。在可變輪廓銑設置菜單中，驅動方法選“曲線/點”，投影矢量選“刀軸”，刀軸選“遠離直線”。點擊“曲線/點”編輯命令，進入“曲線/點驅動方法”設置菜單，用添加新集命令選取“廣西制造學院”的曲線，選好后點擊確定。點擊確定后，返回可變輪廓銑設置菜單，點擊生成命令，計算刻字刀路的結果如圖12 所示。

圖12 刻字刀路

4 五軸NC 代碼后處理、防碰撞仿真驗證和實際加工校驗

多軸加工刀路設置好之后，調整好切削參數，就可以選擇合適的五軸聯動后處理器，生成適合現場機床用的NC 代碼，再利用社會上主流的五軸仿真軟件對NC 代碼進行防碰撞仿真驗證無誤后，就可以進行實際加工。圖13 是用五軸聯動加工策略加工好的QQ卡通藝術品示意圖片。

圖13 加工好的QQ 卡通藝術品

5 結語

在五軸加工中，粗加工常用大刀小切深快進給的加工工藝快速去除工件的余量。在各CAM 編程軟件的粗加工工序策略，下刀的刀路往往要設置出螺旋下刀或沿形狀斜進刀的下刀方式，避免內腔加工時產生直插刀路導致斷刀現象的發生。為了避免撞刀事故的發生，選擇正確的后處理器和工業仿真軟件進行防碰撞檢查也必不可少。

五軸聯動加工技術是解決異形復雜零件高效、高質量加工難題的重要手段。基于NX12.0 軟件的多軸聯動加工策略，可以解決各種珠寶、藝術品和醫療器械等復雜零件的加工難題，提高生產率和產品的品質。