楊龍

（龍巖技師學院，福建龍巖 364000）

0 引言

鼎是我國青銅文化的代表，歷經千年發(fā)展，從烹飪之器發(fā)展為傳國重器。其文化內涵深厚，也有著極高的藝術審美價值。圖1所示的三足兩耳鼎是由底座、鼎足、上下腹部、左右鼎耳、內型腔及圓槽等結構特征構成，各曲面特征間平滑過渡。整體結構比例合理，古樸大方，型制飽滿。其結構具有多復雜曲面、鏤空等特征，不利于多次裝夾加工。本文介紹以PowerMILL軟件為工具，采用五軸機床一次裝夾完成鼎加工的方法。

1 結構及加工難點分析

分析圖1可知，該模型底座是一圓臺，圓臺上方圓周均布著3個鼎足，3個鼎足支撐鼎主體質量，鼎足與底座、下腹部光滑過渡。鼎上腹部呈錐形，對稱分布兩鼎耳，相鄰90°對稱分布兩凹槽。內型腔側面與鉛垂面呈一角度（負角面），呈倒扣形狀，側面與底面曲面光滑過渡。

圖1 鼎結構

1.1 內型腔加工

內腔呈倒扣形狀，倒扣類零件的加工一般有兩種方式。

1）T形槽刀加工。采用T形槽刀加工倒扣側壁時，T形槽刀的圓弧刀尖點與側壁的角度在加工過程中是固定的，如圖2所示。難以保證切削時處于最佳切削點。不同的倒扣角度及型腔深度對刀具的直徑和刀具的長度也有不同的要求，需要定制不同規(guī)格的T形槽刀具，且刀具的剛性較差，加工效率低，一般用于加工開度大、負角小的場合[1]。

圖2 T形槽刀加工模式

2）五軸機床加工。3+2定位加工倒扣側壁時，依據(jù)負角的大小加工前A軸先偏擺一定的角度，切削刀具固定在一個傾斜的位置，不同加工區(qū)域的法矢方向鎖住兩個進給軸，多次重新定位完成加工，如圖3所示。采用該加工方式刀具的伸長可靈活調整，加工剛性好，加工效率高。

圖3 3+2定位加工模式

1.2 3個鼎足加工

3個鼎足結構特征相同，呈圓周陣列，加工空間狹小，若連續(xù)完整加工單個鼎足會與其它鼎足發(fā)生干涉。加工前先對曲面作分割處理，運用PowerShape軟件或借助于其它CAD軟件分割曲面，將鼎足劃分8個加工區(qū)域。其中鼎足與鼎腹圓弧過渡處分割為5～8四個加工區(qū)域，如圖4所示。加工區(qū)域8刀具需伸入鼎腹下方，長度伸出較長，加工剛性差，易產生振動。

圖4 鼎足分割

1.3 鼎腹底面與底座上表面

受3個鼎足結構特征的影響，鼎腹底面與底座上表面無法一次加工成形，分3個區(qū)域加工。先繪制參考線，再運用曲線編輯器將參考線分為4段（過程略）。生成一個區(qū)域刀具路徑后旋轉120°復制其它2個區(qū)域刀具路徑。腹底參考線如圖5所示，底座參考線如圖6所示。

圖5 腹底參考線

圖6 底座參考線

2 工藝編排

依據(jù)先粗后精、先主后次和先面后孔的加工原則[2]，基于上述關鍵區(qū)域的工藝分析，確定加工順序為：鼎內部區(qū)域加工→整體開粗鼎外部區(qū)域→二次開粗鼎外部區(qū)域→分別精修不同加工區(qū)域。鼎加工涉及多種加工策略，如表1所示。

表1 工藝編排

2.1 外輪廓整體開粗

毛坯規(guī)格為φ120×150 mm 6061鋁材。根據(jù)三鼎腳圓周勻布的結構特征，采用“3+2”定軸加工方式開粗。水平方向新建3個加工坐標系，兩個坐標系分別繞X軸旋轉120°依次生成粗加工刀具路徑。

1）創(chuàng)建坐標系1，勾畫邊界1。選用模型區(qū)域清除加工策略，在剪裁對話框中選擇創(chuàng)建的邊界1，勾選Z限界最小值，在框中輸入“-2.0”數(shù)值。徑向余量“0.15”，軸向余量“0.5”，在切入對話框中第一選擇設定為“斜向”，最大左斜角“3.0”，斜向高度“1.0”，勾選應用約束，距離＞“15.0”。連接對話框中，第一選擇設定為“曲面上”，勾選應用約束，距離＞“15.0”。單擊確定按鈕。生成圖7所示的刀具路徑圖。創(chuàng)建殘留模型，將輪廓開粗1刀路增到殘留模型。

圖7 刀具路徑

2）創(chuàng)建坐標系2（旋轉120°），選用模型區(qū)域清除加工策略，重復開粗1步驟，選擇殘留加工—殘留模型1，生成圖8所示的刀具路徑2。將輪廓開粗2刀路增到殘留模型。

3）創(chuàng)建坐標系3（旋轉240°），選用模型區(qū)域清除加工策略，重復開粗2步驟，生成圖8所示的刀具路徑3。仿真結果圖9所示。

圖8 刀具路徑

圖9 仿真結果

2.2 鼎足精加工

2.2.1 生成刀具路徑

以加工區(qū)域8為例，在曲面精加工策略中，選用φ6R3球頭刀。行距設定為“0.2”，參考線方向為“V”，加工順序為“雙向”，開始角“最大U最大V”。刀軸為“朝向曲線”，參考線為“1”，固定角度為“仰角”，角度“-10.0”,安全區(qū)域類型為“圓柱”，下切半徑“50”，單擊“計算”。單獨初次切入為“曲面法向圓弧”，角度“90.0”，半徑“2.0”，單擊“最后切出與初次切入相同按鈕”，連接“直”，勾選應用約束＜“2.0”。開始點“第一點安全高度”。單擊計算按鈕。自動生成刀具路徑。各曲面加工角度不同，需繪制不同的參考線，在曲面垂直投影方向繪制即可。

2.2.2 旋轉復制刀具路徑

右鍵單擊刀具路徑，在彈出的對話框中選編輯—變換—多重變換—圓形—軸在激活工作平面。旋轉角度為120°，單擊接受按鈕，旋轉復制刀路2、刀路3，如圖10所示。其它鼎足區(qū)域加工刀路的操作方法亦是如此，結果如圖11所示。

圖10 復制刀路

圖11 鼎足刀路

2.3 底座上表面精加工

激活圖6底座參考線，單擊右鍵按鈕，選擇編輯—鑲嵌參考線。在流線精加工策略中，選用φ6R3球頭刀，鑲嵌參考線選擇圖6所示的參考線，單擊交互選擇策略參考線段，在曲線配置里調整切削方向，如圖12所示。

圖12 調整參考線

行距設定“0.2”，刀軸設定“朝向曲線”，選擇圖12所示的刀軸參考線，固定角定為仰角，角度“20°”。初次切入與最后切入切出均為“法向圓弧”，角度“90°”，半徑“1.0”。連接為“圓形圓弧”，勾選應用約束選項＞30.0，單擊確定按鈕。旋轉復制刀具路徑參照鼎足精加工的操作，結果如圖13所示。由于篇幅所限其它輪廓精加工不展開論述。

圖13 底座刀路

3 仿真及加工

3.1 仿真加工

生成所有刀位軌跡后，采用哈挺XT630五軸加工中心的專用后置處理將刀位軌跡轉換成數(shù)控系統(tǒng)可以識別的NC程序，在VERCUT數(shù)控仿真軟件中進行多工位翻面加工模擬仿真[3]，對刀位軌跡安全性進行檢查，主要檢查是否會發(fā)生干設，結果如圖14所示。

圖14 仿真加工

3.2 夾具設計

鼎模型屬異形體，難以直接裝夾。為保證外形美觀，需設計夾具輔助加工。夾具設計如圖15所示。將夾具與零件安裝，用4個M8的螺桿將鼎毛坯緊固夾具上，整體部件安裝到5軸機床上進行加工。

圖15 夾具設計

3.3 機床加工

在驗證安全無過切的情況下，將NC程序導入機床進行數(shù)控加工，圖16為鼎模型粗加工。檢測實際加工結果所有部位的尺寸均加工合格，如圖17所示。

圖16 粗加工

圖17 加工合格

4 結語

本文分析了鼎模型的結構特點，指出該模型的加工難點及具體的解決方法。設計了專用的夾具，編排了合理的加工工藝，利用PowerMill軟件的多軸加工豐富策略的優(yōu)勢，快速生成加工軌跡。在VERICUT數(shù)控仿真軟件里模擬仿真后確保刀位軌跡安全性，最后運用哈挺XT 630五軸五聯(lián)動加工中心完成了鼎模型加工，加工效果良好，對同類零件的五軸加工具有一定的借鑒意義。