奖杯五轴加工刀轨规划与仿真加工

1加工工艺制订

1.1数控铣加工工艺分析

整体式奖杯曲面呈规则性变化，属于典型的五轴数控加工案例，选用五轴立式加工中心进行零件的铣削加工。毛坯料选用尺寸为80mm×80mm×120mm的长方体，材料为7075铝，夹具选用三爪自定心卡盘。奖杯整体开粗选用经典的三轴加工方法，杯顶内部采用局部开粗方法，根据曲面形状和曲面的分布特点，分区域进行曲面的加工，工艺流程如图1所示。

1.2加工策略设计

根据奖杯结构特点，利用PowerMill 2022软件中的多轴加工模块,依据机械加工工艺,选择合适的加工策略,并对具体参数等进行详细的规划。刀轨策略如表1所示，刀具轨迹如图2所示。

2 DMU 85 monoBLOCK虚拟仿真环境的建立

2.1 DMU 85 monoBLOCK加工中心结构参数

DMU 85 monoBLOCK[下文简称为DMU 85]属于摇篮式多轴数控加工中心，其外形如图3所示。DMU 85主要特点是B轴可以进行-120°~+120°摆动，C轴可以进行0°~360°旋转，加工工艺范围广，主要参数如表2所示。

2.2 VERICUT搭建虚拟仿真加工中心

本文所选用的加工设备属于专用加工中心，在VERICUT软件中未配置加工中心模型，需绘制加工中心的三维模型，并对各部件的自由度进行分析。

[1]DMU 85加工中心运动分析及几何建模

经分析，该加工中心运动部件的拓扑关系有两条路线:一条路线是以旋转工作台为主的V轴模块结构，另一条路线是以主轴为主的U轴模块结构。在中望3D软件中以1:1的尺寸比例还原加工中心造型并装配，保存为通用格式并导入VERICUT仿真软件中，依据加工中心拓扑关系构建虚拟仿真加工中心模型。加工中心各运动部件的拓扑关系图和几何模型结构图如图4所示。

[2]DMU 85加工中心运动关系建模

运动关系建模是将搭建好的三维加工中心模型中的各运动部件附加一定的自由度，以实现加工中心的运动。按照以下步骤，创建加工中心的运动关系。

1]建立坐标系

数控加工中心需建立坐标系，以检验加工中心各运动轴与加工中心坐标系原点的空间位置关系。虚拟加工中心模型搭建完成后，需激活组件坐标系、模型坐标系、加工中心原点、工件原点以及加工坐标零点。需要通过配置坐标系统CSYS来定义编程坐标系，编程坐标系需要与工件原点一致，以保证虚拟仿真的顺利进行。

2]构建运动关系结构树

由图4所示的拓扑关系可知，该加工中心的铣削运动是由两条路线的相互运动配合完成的。工件的运动:由床身→B轴→C轴→夹具→工件控制实现;刀具在主轴上的运动:由床身→X轴→Y轴→Z轴→主轴→刀具控制实现。构建的虚拟加工中心如图5所示。

3]定义加工中心相关参数

虚拟加工中心应设置与实际加工加工中心相同的参数，主要设置旋转轴的旋转中心、主轴坐标点、碰撞检查设置、各运动轴行程设置等，用以检查虚拟仿真过程中刀具、毛坯、夹具等发生碰撞或干涉等情况。加工中心碰撞/干涉和行程极限设置如图6和图7所示。

[3]创建刀具库

创建刀具库是将实际加工所用的刀具按照1:1的比例在VERICUT数控仿真软件中创建。在创建虚拟刀具时，需要设置刀具尺寸、装夹点、刀具名称、对刀点、刀柄特征尺寸等。

2.3 VERICUT数控系统选用

[1]选用数控系统

DMU 85加工中心选用的是Heidenhain iTNC 530,对应VERICUT数控仿真软件中选用sin840d,如图8所示。

[2]运动轴运动状态检测

搭建虚拟数控加工中心后，需要检测各运动轴的运行状态是否正确，通过换刀或者简单程序指令的运行即可检测各坐标系的设置、主轴与两个旋转轴是否会发生干涉或碰撞现象。检测无误后，即可设置毛坯、夹具，读取数控加工程序，进行仿真验证，其加工效果如图9所示。

3 VERICUT仿真优化

VERICUT数控仿真软件有虚拟仿真和仿真优化两大类，VERICUT的优化模块只能对NC代码程序进行优化且优化之后的NC代码程序可直接上机运行。该软件可对空走刀、力、切削用量等因素进行优化，并且具备虚拟仿真加工与切削图表、Force图表同时生成的功能，更能直观反映虚拟仿真过程中力、体积去除率、切削用量等因素的变化趋势。

3.1空走刀优化模式

优化模式选择"仅空走刀状态",该优化方式是优化空走刀的程序段，其他正常切削不进行优化，即优化有切削能力的且未切削到工件材料的程序段。该优化模式下,通过调整解析度距离参数,可将轮廓的加工程序段优化为多行加工程序段，可提高轮廓的加工精度。空走刀优化模式下的参数设置，如图10所示。运行程序即可弹出优化节省计算器，如图11所示。经过优化，可提高31.8%的加工效率。优化后，可查看优化前和优化后的数控程序，并将两者进行对比，会将优化部分的NC程序显示不同的颜色，如图12所示。

3.2当切削时提示优化模式

优化模式选择"当切削时提示"状态下，主要对切削刀具进行切削极限参数的优化，创建优化刀具库，为其他模式的优化提供参考。从材料库中选择对应的材料即可，此时，在VERICUT日志器中显示优化打开状态，运行虚拟加工中心，即可弹出刀具优化选项卡，如图13所示，根据切削刀具的切削特性进行填写。在刀具优化中，提供了"仅空刀切削""体积去除""屑厚""屑厚&体积""深度/宽度表格""屑厚&力""屑厚&功率""仅屑厚"等多种优化方法。可选择合适的优化方法，获取更加高效、经济且安全的数控加工过程。

3.3优化及力分析优化模式

[1]优化模式

通过"当切削时提示"优化方式，优化刀具库后，即可选用优化方式。选用合适的优化方法，调整适合的切削参数，并保存刀具管理器，重置模型，运行虚拟加工中心NC程序,即可进行NC程序的优化。

[2]力分析优化

在优化过的刀具管理器中，选择"屑厚&力"的优化方式，并保存刀具管理器。优化设置选项卡选择力分析模式，并在材料库中选择对应的材料。运行虚拟加工中心NC程序，即可弹出如图14所示的最大屑厚曲线图表[图14[a]]和总力曲线表[图14[b]]，最大屑厚稳定在0.11mm左右，最大总力在110~190N之间波动。

4结语

以整体式奖杯为对象，采用"POWERMILL+VERICUT"方法，编排合理的加工工艺、规划刀具轨迹;并搭建数控虚拟仿真加工中心和设置虚拟加工中心关键参数，进行虚拟加工，根据结果优化NC程序和切削过程中刀具的受力情况。通过"自动编程+虚拟仿真"方法，可实现数字化虚拟加工，验证NC代码的可靠性，缩短制品的加工周期，提高加工中心的使用效率，增加企业收益。