0 引 言

　　在模具制造中對自由曲面數控加工越來越多。常采用反向工程技術，即對存在的復雜實物模型或零件進行高精度的數字化測量，對重構出的CAD 模型進行計算機輔助分析（CAE），通過CAM 系統加工出產品，再對加工出的產品進行檢驗、修改和創新，若不滿意則可以重新進行再設計、再加工和檢驗，直到滿意的過程。數控加工編程是復雜曲面數控加工中的一個重要環節，數控加工編程中切削用量、加工余量、走刀方式、進退刀方式、編程零點和加工坐標系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質量和加工粗糙度，也關系著反向工程的整體性能。文中在Cimatron 軟件CAD/ CAM 集成環境基礎上，對反向工程中重構出的復雜曲面CAD 模型進行數控加工編程，通過對確定數控加工參數原則的討論，給出了一種加工效率高、成型質量好的數控加工方法。

1 復雜曲面數控加工工藝分析

　　1.1 數控加工曲面的方法

　　隨著數控機床的出現，特別是加工中心的出現，自由曲面的加工過程可以通過數控編程來實現。加工復雜型面一般采用球頭銑刀數控銑削，程序給出的加工軌跡是刀頭球心的運動軌跡。

　　加工中心對自由曲面的連續銑削加工，有行切法、環切法、層切法、等深法等幾種加工方法，文中主要采用行切法和層切法兩種。行切法具有編程簡單和切削效率高的優點，但由于刀具在行切平面內運動，且曲面的曲率不同和定位等原因，會導致行間的殘留高度相差較大，因此常用于粗加工。層切法加工是在等高面上切除加工余量，其實質是一種二軸半的分層處理加工方法。在層切法加工過程中，走刀軌跡被限制在二維平面中，方便了刀具軌跡的優化，空刀現象大大減少，切削效率高。因此，層切法是一種高效的粗加工方法。

　　1. 2 曲面數控加工參數選用的原則

　　加工中心對自由曲面的銑削加工中，切削用量、加工余量、走刀方式、進退刀方式、編程零點和加工坐標系等方面的因素都將影響著切削加工效率、成型質量和加工粗糙度。特定以下原則：

　　1）合理選擇切削用量的原則：粗加工時，一般以提高生產效率為主，但也應考慮經濟性和加工成本；半精加工和精加工時，在保證加工質量的前提下，兼顧切削效率、經濟性和加工成本。用三坐標加工中心銑削曲面時，在機床和刀具允許的范圍內，主軸轉速盡量選高些，以提高加工效率。

　　2）加工步長確定的原則：加工形狀復雜的曲面時采用殘留刀痕高度法來確定加工步長。殘留高度是指沿加工表面的法向矢量方向，兩相鄰切削行之間的波峰與波谷的高度差，如圖1 所示，以球頭銑刀加工凸曲面來討論它們之間的關系。

　　圖1 中，AB=2a（刀具中心間的距離），PE=h殘留刀痕高度），p為曲率半徑， 為曲率中心，r 為刀具半徑。當曲線弧CD的弧長很小時，可以把其近似認為是以p為半徑的一段圓弧，因此，可得殘留刀痕高度h 和加工步長的關系如式（1）所示：

這樣可以通過殘留刀痕高度h 的值，來控制加工步長，以此來確保工件的加工精度。

　　3）確定加工余量的基本原則：在保證復雜型面加工完整的前提下盡量減少加工余量。

　　4）走刀方式與切削方向選擇原則：根據被加工零件表面的幾何形狀，在保證加工精度的前提下，使切削加工時間盡可能短，且在切削加工過程中，刀具受力平穩。在三維曲面區域加工的刀具運動軌跡生成技術中，可采用如下3 種走刀方式：往復型走刀方式、單方向走刀方式、環切走刀方式。

　　5）進刀方式與退刀方式的選擇方法：加工精度要求較高的曲面，為不在工件的進刀或退刀處留下駐刀痕跡，應選擇沿曲面的切矢方向或沿圓弧方向的進刀、退刀方式。

　　6）編程零點的選擇原則：應使編程零點與工件的尺寸基準重合；應使編制數控程序時的運算最為簡單，避免出現尺寸鏈計算誤差；起的加工誤差最小；編程零點應選在容易找正，在加工過程中便于測量的位置。

2 基于Cimatron 的自由曲面數控加工編程

　　曲面的數控加工是反向工程的重要步驟之一，只有通過編程加工出按“點云”數據重構的自由曲面，反向工程才有實際價值。為了論述方便，選擇了具有曲率變化較大的曲面— 電話機聽筒的外表面作為數控加工編程對象，來研究自由曲面的數控加工方法。

　　2.1 定義MACSYS 加工坐標系

　　為了使編程人員系統而又方便地管理產品的整個數控加工過程，在編程前首先需定義一個加工坐標系。在反向工程中加工某一復雜曲面時，由于曲面的具體尺寸無法得到，因此建議采用系統自動生成的新坐標系（M_MODE），并把編程零點設在此加工坐標系的原點。

　　2.2 建立刀具資料庫和選擇加工類別

　　建立刀具資料庫是根據本單位加工中心刀具庫的刀具以及加工曲面所要選用的刀具種類，建立一個刀具庫，把刀具的有關參數，如切削刃長度、切削角以及刀桿長度輸入刀具庫中。文中加工用的Φ 12 球銑刀。由于Cimatron 軟件能夠進行2 ~5 軸的銑削加工、數控車和線切割等數控加工的編程，所以編程前要選擇加工類別，這里選擇3 軸的銑削加工編程。

2.3 編程毛坯的建立

　　實際加工毛坯的尺寸是依據編程毛坯的大小來確定的。以加工電話機聽筒為例，要編程加工出其外表曲面，必須先建立電話機聽筒的編程毛坯。由于是空間曲面，不僅其表面尺寸難以確定，而且在加工坐標系中的位置也不好確定，所以需要解決確定所需編程毛坯的大小及其所在的位置。為此，先按曲面大小，用軟件建立編程毛坯的方法自動建立一個加工出曲面所需的最小加工毛坯，查看其尺寸及在加工坐標系中的位置，然后用輸入坐標值建立矩形編程毛坯的方法，經過人工簡單的計算，把一個滿足條件的加工毛坯的尺寸輸入計算機，定義出一個編程毛坯。文中采用這種方法，不僅可使編程毛坯的大小和實際加工毛坯的大小一樣，而且此編程毛坯所在的位置能夠包圍住所要加工的曲面。建立的編程毛坯如圖2 所示。

2. 4 粗加工編程

　　數控加工分為粗加工和精加工。在加工復雜曲面時，約70%的余量在粗加工時切除，因而大量的加工工時被消耗于粗加工過程。為此要選用一種合理的、高效的粗加工方法進行編程加工。Cimatron 提供了一種“WCUT”的加工方法，這種方法在封閉區域中逐層銑削曲面，其銑削面為平面。這是一種層切法，它不僅有粗加工的能力，而且還能進行一定程度的精加工，所以選用“WCUT”的加工方法適合對電話機聽筒的外表面的編程毛坯進行粗加工編程。用“WCUT”的加工方法進行加工，在同一層加工面中Z坐標值不變；在每一層加工面里采用的是行切削，在一行里X值或Y值不變，這樣加工效率就比較高。走刀方式采用往復式，雖然加工精度低些，但加工效率高；切削方向采用反向工程數據采集的掃描線方向。

　　由于電話機聽筒的外表面的表面曲率半徑某些地方比較小，而且曲率變化也大，為了能夠用一把刀加工出其表面且滿足精度要求，球銑刀直徑選擇小些，其值為Φ12；進刀和退刀方式也選用切矢方向切入和離開，以利于提高表面的加工質量；切削用量為：主軸轉速是2000r/min，每層加工步長為1mm，層內加工步長也是1mm，粗加工的余量是1.6mm，表面粗糙度是0.05mm。圖3 為電話機聽筒的外表面模擬粗加工后的效果圖。

　2.5 精加工編程

　　數控精加工必須滿足圖紙要求的精度，所以精加工編程的原則是在保證加工精度的前提下盡可能提高加工效率。而編程時的加工方法選擇和加工參數的設定則應根據所加工曲面的具體幾何拓撲關系來確定。

　　電話機聽筒的外表面比較復雜，有凹有凸，表面曲率大小不一。從粗加工模擬圖看，層間加工步長是1mm，層內行切削的步長也是1mm 時，加工效果不是很好。所以該類曲面的精加工編程不宜用“WCUT”的加工方法。對Cimatron 提供了幾種精加工曲面的方法比較試驗，采用“SRFPRT”加工方法精加工復雜曲面比較好。“SRFPRT”加工方法是在限制的封閉區域中精加工曲面的一種方法，它可以沿曲面的凹凸變化進行加工，提供了平行切削、螺旋切削等走刀方式，正好符合復雜曲面凹凸變化大的特點。對該零件來說，在編程時仍然采用沿掃描方向的行切削，但這時的行切削與粗加工時在層內的行切削不同，粗加工時層內的Z值不變化，只能沿Z方向一層層的切削，而這里的Z坐標值隨著曲面的起伏而變化，這是對反向工程數據采集階段三坐標測量機測量數據的一種再現。為了提高加工精度，走刀方式由往復式改為單向走刀式，雖然加工時間長一些，但加工精度較高，這符合精加工編程精度優先的原則。切削參數為：主軸轉速3000r/min，刀具直徑、進退刀方式和粗加工一樣，表面粗糙度0.01mm，行切削的行間加工步長則根據前述的殘留刀痕高度法來確定。將各相關參數選定，加工步長設定為0.01mm。圖4 是按上述方式和參數進行編程的電話機聽筒的外表面精加工模擬圖，可見用殘留刀痕高度法來控制加工步長，可以獲得較高的表面加工質量。

　　2. 6 數控加工程序的后處理

要使編制的程序在加工中心上實現，還得把“*.cl”格式的刀具軌跡文件轉換為加工中心能夠接受的，后綴為“demo”的G 代碼文件。通過Cimatron 的加工管理環境把對應的電話機聽筒的外表面的刀具軌跡文件轉換為G 代碼文件，在加工中心工作臺上完成工件毛坯的安裝、調試后，將生成的G 代碼文件通過計算機輸入到加工中心控制系統，就能在工件毛坯上復制出通過反向工程反求出的電話機聽筒的外表面的復雜型面。

3 結 論

　　在實物自由曲面的反向工程中，需要對零件復雜曲面進行數控加工編程，是反向工程的重要環節之一，只有選擇合理的加工方法、切削用量、加工余量、走刀方式、進退刀方式等工藝參數才可以以較高的切削加工效率，好的成型質量和最佳的加工粗糙度的曲面。層切法是一種高效的加工方法，根據所加工曲面的具體幾何拓撲關系，在Cimatron 的CAD/ CAM 集成環境下，對平緩型曲面用“WCUT”進行粗、精加工，對凹凸型曲面先用“WCUT”進行粗加工，再用“SRFPKT”進行精加工是一種既可提高加工效率，又可獲得較好的表面加工質量的途徑。