基于NX12.0 软件的某种卡通艺术品五轴加工研究

郑有良，黄宁健

（广西制造工程职业技术学院，广西 南宁 530105）

0 引言

在日常生产中，卡通、珠宝、雕塑等造型复杂的艺术品以及人体骨骼关节替代品、人造牙齿等各种用于医疗领域异形复杂零件的加工，三轴数控机床往往难以胜任。五轴联动加工技术是解决这类异形复杂零件高效、高质量加工难题的重要手段。本文以QQ 卡通艺术品为例研究其五轴加工策略。

1 QQ 卡通艺术品零件的技术要求和结构工艺性分析

QQ 卡通艺术品模型如图1 所示。该零件不属于常见的机械功能性零件，属于观赏类艺术品，对加工表面的尺寸精度要求不高，但对产品外观效果要求较为精致，对各产品加工表面的质量要求较高，各曲面之间要求光滑连接，主要加工表面之间的相互位置精度要求较高，不可有明显的接刀痕。由于该零件的材料为6061 铝合金，为了保持加工好之后的表金属表面光泽，避免表面氧化变暗，热处理要求为表面阳极处理。

图1 QQ 卡通艺术品3D 模型

从零件结构要素的工艺性来看，该零件的形状由各种曲面和表面刻字组组成，结构要素较为复杂，有较为狭窄的内R 角，刀具不容易进入、退出和通过加工表面，加工较为困难，加工面积较大。零件用6061牌号的铝合金材料具有良好的切削性能，对刀具的选择具有良好的经济性。

从零件的整体结构工艺性来看，零件有足够的刚度，零件底部有便于装夹的基准，该零件适合使用“一面两销”的装夹定位方式。在工件的底面加工两定位孔用于定位，在工件的底面中心加工一螺纹孔用于夹紧。工件通过底面的与夹具连接盘连接固定，再通过螺钉压板把连接盘与机床工作台连接固定。工件底面与夹具的接触面积大，定位、夹紧可靠，刚性好，稳定性好，可消除相应的加工振动，避免加工表面振纹的形成，有利于提高表面加工质量。

零件的生产纲领为单件小批量生产，从经济适应性的角度，不需铸造毛坯，毛坯选择铝棒，尺寸为直径75 mm*120 mm。

从零件的结构工艺性分析可知，由于该零件结构要素曲面较多，形状复杂，用三轴数控机床加工非常困难，不能满足要求。为了满足各曲面光滑连接的加工要求，需要用到具有刀尖跟随功能RTCP 的五轴联动数控机床，一次装夹多工序加工成型。五轴联动加工技术能够较好的计算刀尖位置，通过刀轴的摆动，完成各成曲面之间的连接。如果用三轴数控机床加工，刀轴角度固定无法调整，很多细节无法加工，二次装夹接刀痕无法避免，曲面加工质量差，效率低。所以，根据零件结构工艺性分析的结果，机床选择五轴联动数控机床，可实现一次装夹多工序加工。

2 零件定位与加工工艺路线确定

根据零件的加工工艺分析结果可知，该零件的定位基准选择用基准重合原则。选择底面定位基准，粗基准与精基准也要求统一。该零件的装夹方式是将工件装夹在夹具上，再通过夹具与机床的连接实现工件在机床上的装夹。根据六点定位原理，该工件要限制沿Z移动、沿X移动、沿Y移动，绕X转动、绕Y转动、绕Z转动等六个自由度，因此用“一面两销”的装夹定位方式设计夹具。

根据工件材料的性质、工件的形状和尺寸、生产纲领和现有设备与技术条件等确定表面加工方法为：粗铣、半精铣、精铣，按照工序集中的原则确定工艺过程。

在粗加工工序，要求采用定轴2D 分层铣削的方式，用硬质合金牛鼻铣刀，以小切削大进给的吃刀工艺，迅速去除多余材料。在半精铣和精铣工序，要求用锥度球头铣刀以包络法的方式，从零件顶部螺旋往下分层环绕走刀加工出各曲面。

在上五轴机床加工之前，要先对毛坯表面和底面进行预加工各光一刀，在底面中心位置提前加工好M12 螺纹孔和两个定位销孔。用螺柱与定位销，把毛坯与转接板连接固定，再用内六角螺钉把转接板固定在机床转台上。工件坐标系设定在工件的上表面中心位置。

根据加工工艺方案，刀具选择直径10 mm 的硬质合金铝用立铣刀开粗，R3 的球头刀二次开粗，锥度角3°D4R2 的锥度球头刀精加工。文字用雕刻刀刻出。

因此，该零件的五轴加工路线为：（1）90°摆放零件定轴开粗二分之一。 （2）180°摆放零件定轴开粗另外二分之一。（3）五轴联动二次开粗。（4）五轴联动精加工。（5）四轴联动雕刻文字。

3 五轴加工策略

根据零件的加工路线，基于NX12.0 软件，该QQ卡通艺术品的五轴联动加工策略如下：

（1）“90°摆放零件定轴开粗二分之一”工序用“型腔铣CAVITY_MILL”策略。

（2）“180°摆放零件定轴开粗另外二分之一”工序用“型腔铣CAVITY_MILL”策略。

（3）“五轴联动二次开粗”工序用“可变轮廓铣VARIABLE_CONTOUR”策略。

（4）“五轴联动精加工”工序用“可变轮廓铣VARIABLE_CONTOUR”策略。

（5）“四轴联动雕刻文字”工序用“VARIABLE_CONTOUR”策略。

各加工策略的设置详细情况如下文所述。

3.1 工件坐标系和毛坯设置

加载QQ 卡通艺术品3D 模型，把工件坐标系设置在零件上表面中心位置，结果如图1 所示。

右键单击MCS，选择“插入”“几何体”，弹出创建几何体菜单，类型选择“mill_contour”，几何体子类型选择“WORKPIECE”，单击“确定”后弹出工件设置菜单，点击“指定部件”，选取图2 所示的实体，点确定。在返回的工件设置菜单里，点击“指定毛坯”，在“毛坯几何体”菜单中，选择“包容圆柱体”命令，点击确定。在返回的工件设置菜单里，点击“指定检查”，选择检查体，点击确定，完成WORKPIECE 的设置。

图2 选择指定部件

3.2 刀具设置

分别设置好“T1-D10”“T2-D4R2”“T3-D6R3”3把刀。

3.3 “90°摆放零件定轴开粗二分之一”工序

点击“创建工序”命令，弹出“创建工序”菜单。在“创建工序”菜单中，类型选“mill_contour”，工序子类型选“型腔铣”，刀具选“T1-D10”，几何体选“WORKPIECE”，名称用“右面开粗CAVITY_MILL”，点确定后弹出型腔铣设置菜单。在型腔铣设置菜单中，刀轴用“指定矢量”来设定。点击“矢量对话框”命令，弹出“矢量”设置菜单。在“矢量”设置菜单中，选择“XC 轴”正向，确定后就完成刀轴的矢量设定，如图3 所示。在返回的型腔铣设置菜单中，切削模式选用“跟随周边”。点击“切削层”命令，进入切削层设置菜单，深度范围改为“34”，确定，如图4 所示。

图3 指定矢量

图4 修改切削层

在返回的型腔铣设置菜单中，点击“生成”命令，生成的右面开粗刀路如图5 所示。

图5 右面开粗刀路

3.4 “180°摆放零件定轴开粗另外二分之一”工序

右键单击“右面开粗CAVITY_MILL”刀路，选择“复制”命令，在“WORKPIECE”下粘贴并改名为“左面开粗CAVITY_MILL”。 双击“ 左面开粗CAVITY_MILL”刀路，进入型腔铣设定菜单。在型腔铣设定菜单中，刀轴矢量点“反向”。点“切削层”命令，进入切削层设定菜单，切削层深度改为“34”，确定。在返回的型腔铣设置菜单中，点击“生成”命令，生成的左面开粗刀路如图6 所示。

图6 左面开粗刀路

3.5 右面拐角精根工序

点击“创建工序”命令，类型选“mill_contour”,工序子类型选“拐角粗加工”，刀具选“T3-D6R3”，几何体选“WORKPIECE”，名称输入“右面拐角精根CORNER_ROUGH”。点确定后，弹出“拐角粗加工”设置菜单，刀轴选“指定矢量”，参考刀具选“T1-10”，陡峭空间范围选“无”，切削模式选“跟随周边”。点击“矢量对话框”命令，矢量选“XC 轴”正向，点确定，返回拐角粗加工菜单。

进入“切削层”命令，在切削深度里改为“34”，确定。在返回的拐角设置菜单中，点击“生成”命令，生成的右面拐角粗加工刀路如图7 所示。 左面拐角、前面拐角和后面拐角清根操作过程类似。

图7 右面拐角粗加工刀路

3.6 曲面半精加工和精加工工序

点击“创建工序”命令，进入创建工序菜单。在创建工序菜单中，类型选“mill_multi-axis”，工序子类型选“可变轮廓铣”，刀具选“T3-D6R3”，几何体选“WORKPIECE”，名称输入“ 曲面半精加工VARIABLE_CONTOUR”，点确定，进入可变轮廓铣设置菜单。在可变轮廓铣菜单中，驱动方法选“曲面区域”，投影矢量选“垂直于驱动体”，刀轴选“垂直于驱动体”。点击“曲面区域”编辑命令，进入曲面区域驱动方法设置菜单。

在曲面区域驱动方法的菜单中，点击“编辑驱动机何体”命令，进入驱动几何体菜单，选取图8 中曲面为驱动曲面。点击确定，返回曲面区域驱动方法菜单。在曲面区域驱动方法菜单，如图9 所示，点击“切削方向”命令，弹出方向选择箭头，选择从上往下走刀的方向。材料方向为朝向外部的方向。切削模式为“螺旋”，步距为“残余高度”，最大残余高度为“0.0030”，切削步长为“公差”，内公差为“0.1000”，外公差为“0.1000”。点击确定，返回可变轮廓铣菜单。在可变轮廓铣菜单中，点击生成命令，计算的刀路结果如图10所示。

图8 驱动曲面

图9 曲面区域驱动方法菜单

图10 曲面半精加工刀路

以上所述为曲面半精加工的设置过程。曲面精加工只需把曲面半精加工的刀路复制，根据实际情况调整刀路的步距。

3.7 切槽工序

选择“创建工序”命令，在的创建工序菜单中，类型选择“mill_multi-axis”，工序子类型选择“可变轮廓铣”，刀具选择“T1-D10”，点击确定，进入可变轮廓铣设置菜单。

在可变轮廓铣设置菜单中，驱动方法选择“曲线/点”，投影矢量选择“刀轴”，轴选择“垂直于部件”。点击“曲线/点”编辑命令，选择相应的曲线，点击确定，返回可变轮廓铣设置菜单。在可变轮廓铣菜单中，点击生成命令，计算切槽刀路的结果如图11 所示。

图11 切槽刀路

3.8 文字雕刻工序

点击“创建工序”命令，在弹出创建工序菜单中，类型选择“mill_multi-axis”，工序子类型选择“可变轮廓铣”，刀具选择“T2-D4R2”，几何体选择“MCS”，名称输入“文字雕刻VARIABLE_CONTOUR”，点击确定进入可变轮廓铣设置菜单。在可变轮廓铣设置菜单中，驱动方法选“曲线/点”，投影矢量选“刀轴”，刀轴选“远离直线”。点击“曲线/点”编辑命令，进入“曲线/点驱动方法”设置菜单，用添加新集命令选取“广西制造学院”的曲线，选好后点击确定。点击确定后，返回可变轮廓铣设置菜单，点击生成命令，计算刻字刀路的结果如图12 所示。

图12 刻字刀路

4 五轴NC 代码后处理、防碰撞仿真验证和实际加工校验

多轴加工刀路设置好之后，调整好切削参数，就可以选择合适的五轴联动后处理器，生成适合现场机床用的NC 代码，再利用社会上主流的五轴仿真软件对NC 代码进行防碰撞仿真验证无误后，就可以进行实际加工。图13 是用五轴联动加工策略加工好的QQ卡通艺术品示意图片。

图13 加工好的QQ 卡通艺术品

5 结语

在五轴加工中，粗加工常用大刀小切深快进给的加工工艺快速去除工件的余量。在各CAM 编程软件的粗加工工序策略，下刀的刀路往往要设置出螺旋下刀或沿形状斜进刀的下刀方式，避免内腔加工时产生直插刀路导致断刀现象的发生。为了避免撞刀事故的发生，选择正确的后处理器和工业仿真软件进行防碰撞检查也必不可少。

五轴联动加工技术是解决异形复杂零件高效、高质量加工难题的重要手段。基于NX12.0 软件的多轴联动加工策略，可以解决各种珠宝、艺术品和医疗器械等复杂零件的加工难题，提高生产率和产品的品质。