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摘 要： 本文通过对人头模型进行五轴精雕技术加工工艺分析，通过分层粗加工、曲面投影精加工、平行截线精加工等多轴数控加工工艺的选择，论述如何通过五轴精雕技术对无规则的复杂曲面进行高速、精密的加工，从而有效保证人头模型的加工精度、提高加工效率和产品质量。
关键词： 人头模型；五轴精雕；加工工艺
前言
在机械加工中，往往会碰到由无规则变化的自由曲面构成的复合体零件。以人头模型为例，其曲率变化没有规律，形状构造也没有基准，使用三轴数控机床根本无法进行加工，必需采用高精度的五轴数控机床精雕加工。常用的UG、PowerMill、JDSoft SurfMill等软件都具备多轴加工能力。本文使用JDSoft SurfMill软件，论述人头模型的五轴精雕加工工艺及加工策略。
1.人头模型分析
如图1所示，人头模型属于曲面无规则，形状特殊，造型复杂的产品。零件模胚是底面直径32mm的圆柱体，材料为ABS。产品加工要求表面光滑，无衔接痕。其加工工艺分析如下：
a）没有规则的平面，传统的加工方法无法满足要求。
b）造型复杂，曲面的曲率变化随意，增加刀具路径的难度。
c）头发纹路细小，凹凸不平，曲面投影加工差异大。
d）拥有众多主要负角面区域，如图2所示，较难加工。
2.工艺设计
工艺设计直接影响加工效果和加工效率。根据人头模型的形状特点，制定合理的加工工艺是五轴精雕加工的关键。首先根据产品的材料与加工难易，考虑选取合适的加工方式及加工刀具，其次在保证质量的前提下，优化加工工艺。具体分析如下：
2.1选用粗加工刀路分接面
粗加工时，为了提高加工效率，在满足加工要求的前提下，尽可能采用较少的轴数加工，因此决定毛坯开粗时采用3+2定位加工及轴向走刀方式，使开粗残料均匀，加工效率与三轴开粗基本相当。
粗加工刀路分接面的选择应避免在人脸的表面上，尽可能选择在不影响外观、质量和精度的曲面上。基于以上原则，人头模型的刀路分接面应避开人脸，选取以左右耳朵为中心平面作为刀路的分接面，如图3所示。
2.2选择分層粗加工
根据人头模型曲面侧壁有陡峭，加工厚度大的特点，采用分层粗加工方式进行粗加工，以确保大量去除材料的同时提高加工效率和切削的平稳性[1]，分层粗加工以粗加工刀路分接面为基准，设计人头模型前后两部分分层粗加工路径，如图4所示。
2.3应用曲面投影精加工
人头模型头发纹路细小，曲率变化随意，除头顶纹路有同向性外，其它曲面都较复杂且变化多，又由于表面粗糙度要求高，无刀纹衔接痕，因此，人头模型头顶下的四周轮廓面的加工选用曲面投影精加工方法，用曲面法向进行投影，并依据导动面的流线生成初始路径，再按照投影方向在加工面上生成多轴联动的精加工路径[2]，以确保加工曲面光滑过渡，增加曲面、侧壁的加工质量和加工流畅性，曲面投影精加工路径如图5所示。
2.4采取平行截线精加工
根据人头模型头顶轮廓面的形状特点，采取平行截线精加工方式既能减少控制轴的大幅摆动，提高加工效率，又可以简化刀具路径的生成，比曲面投影精加工方式更具有优势。因此，优化加工思路，人头模型头顶下的四周轮廓面采用曲面投影精加工方式，而头顶则采用平行截线精加工方式，如图6所示。
2.5加工刀具的选用
人头模型采用ABS材料，其所需的切削力小，切削热少，切削热量主要由切削碎屑传出。但由于ABS的热导率低，熔点也低，积聚的热量不易传导，容易致使切削区的塑料变软，使加工表面出现涂抹现象。因此，加工刀具要尽量锋利，排屑顺畅。在分层粗加工时，考虑到排屑顺畅及加工的高效性，选用螺纹槽铣刀φ3.175；在曲面投影精加工和平行截线精加工时，为增加曲面加工的精细度，增强人头模型轮廊的表现细腻性，均选用球头刀D4R0.5mm。
3.加工策略
3.1分层粗加工
机床配置中，机床类型的正确配置是机床模拟、路径加工时间计算和准确输出多轴路径的关键。在分层粗加工机床设置中，定义A轴正向旋转90°，C轴在0°和180°相互转换，以便在开粗时C轴能对人头模型前后部分快捷转换，提高加工效率。
根据工艺设计，毛坯设置加工材料为直径32mm的ABS圆柱，旋转轴为Z轴。以刀路分接面为对称中心平面，设置毛坯形状和导动面共同限定加工域，生成多轴联动的分层粗加工路径[3]。并在分层开粗时，采用分层环切走刀，使刀路圆滑过渡，减少精加工时的去除余量。根据ABS材料特性，开粗时应高转速、大走刀，选用螺纹槽铣刀φ3.175 mm，设定补偿余量为0.2 mm，主轴转速6000r/min，进给量5mm/s。使用分层方式为限定深度0.1mm，采取螺旋下刀方式，选择从毛坯外部下刀，设置的路径间距为2mm（≥刀具直径的50%）。在参数设置中要选中‘环切并清角’、‘ 光滑路径’选项，以避免因加工路径间距过大而留下残料，光滑路径是为了提高了加工的流畅性。为了保证人头模型前后加工路径之间衔接的顺利，深度范围参数的底面高度应设置-0.5 mm，以保证前后加工清除余料到位，生成前部分和后部分分层粗加工路径如图4所示。将前后部分分层粗加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，在保证路径的准确性和机床的安全性后，输出粗加工文件。
3.2曲面投影精加工
在分层粗加工的基础上，通过曲面投影精加工方式对工件表面的余量进行精密处理，提高产品的加工质量及表面粗糙度。
采取曲面投影精加工对人头模型脸面四周进行加工，依据人头模型曲面特点，在人头模型脸面四周绘制导动面，如图7所示。根据导动面的U流线方向生成初始投影路径，利用辅助导动面和刀轴控制方式将初始路径投影到加工面生成加工路径[4]。在刀具设置中，选择球头刀D4R0.5，主轴转速11000r/min，进给速度2mm/s，路径间距0.05mm。 将人头模型头顶下的四周曲面选为加工面，将准备工作中在颈下绘制的保护面选为保护面，将导动面选择到辅助加工域中，并在刀具路径参数中进行曲面投影加工的相关参数设置。选取‘螺旋走刀’方式和曲面‘法向投影’方向，在刀轴方向参数设置中，定义刀轴控制方式为与指定旋转轴Z成70°倾斜角。
同理，刀具路径参数设置完毕，生成曲面投影精加工刀具路径，如图5所示。将加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，保证路径准确与机床安全后输出精加工文件。
3.3平行截线精加工
平行截线精加工特别适用于曲面较复杂但陡峭面不多的场合，根据工艺设计，人头模型头顶满足平行截线精加工方式的加工需求。在刀具路径参数中设置平行截线精加工路径间距0.2mm，应用‘切向进刀’方式和‘往复走刀’，修边量在0.03mm，选择球头刀D4R0.5，主轴转速9000r/min，进给速度2.4mm/s。
同理，刀具路径参数设置完毕，生成平行截线精加工刀具路径，如图6所示。将加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，无误后输出精加工文件。
需要注意的是在人头模型头顶生成平行截线精加工刀具路径参数设置中，为了保证人头模型脸面四周的曲面投影精加工路径与头顶的平行截线精加工路径之间顺利衔接，设置平行截线精加工刀具路径与曲面投影精加工路径有小部分重叠，如图8所示，这样能有效提高曲面加工质量，避免两种刀具路径在人头模型加工中产生刀浪缺陷。
3.4加工流程及重要参数
根据以上工艺与策略分析，制定的加工流程及部分重要参数如下：
4.五轴精雕加工
依据工艺设计、加工策略指导，采用500DRT型号机床进行五轴精雕加工。在机床中打开精雕控制软件，调入分层粗加工四轴路径文件，选择螺纹槽铣刀φ3.175mm加工的路径，装上螺纹槽铣刀φ3.175mm进行定义对刀基准。对工件进行分中操作，定义工件原点中的X，Y，Z值，按F5转换多轴路径[5]。检查设置的定位高度、慢下速度、慢下距离等安全参数。在对刀过程中，确保准确性，以减少分层粗加工前后部分引起的刀路对接偏差大，错位大，衔接不顺畅等缺陷。
打开试切模式，并开启正压密封，给转速，启动试切加工，通过试切加工，进一步确认刀具路径的可行性，检验加工的安全性和刀具的干涉性。确认没问题后暂停，取消试切模式，正式启动正常加工。
前后两部分层粗加工完成后，暂停机床，更换球头刀D4R0.5，调入曲面投影精加工五轴路径文件，同理，按上述操作方法对工件进行对刀、定义坐标，并进行试切运行，再进行正常加工，如图9所示。
同理，曲面投影精加工完成后，直接调用平行截线精加工五轴路径文件，由于使用相同的刀具，故不用对刀和定义刀具，直接打开试切运行，再进行正常加工。
5.小结
在人头模型五轴精雕加工时，设计分层粗加工、曲面投影精加工和平行截线精加工等合理工艺，采用高速、精密五轴数控加工手段，有效地保证人头模型的加工精度，提高效率和产品質量，加工好的人头模型如图10所示。
在人头模型加工中应注意以下几点：
（1）分层粗加工的底面高度一定要设置负值，确保余料清除干净。
（2）曲面投影精加工的导动面绘制应包裹住人头模型脸面四周的所有轮廓，以保证生成正确的曲面投影精加工刀具路径。
（3）正式加工之前一定要进行试切加工，确保正常加工的安全。
参考文献
[1] 第喜江.多轴数控加工中心编程与加工技术[M].北京：化学工业出版社.2014.
[2] 孙玉文，徐金亭，任斐，郭强.复杂曲面高性能多轴精密加工技术与方法[M].北京：科学出版社.2014.
[3] 北京精雕公司.模具设计与加工-surfmill使用说明书[M].北京：北京精雕公司.2008.
[4] 进取者软件公司.ES-SurfMill使用说明书[M].北京：北京进取者软件公司.2009.
[5] 北京精雕公司.五轴精雕机床CNC500DRT使用说明书[M].北京：北京精雕公司.2013.
关键词： 人头模型；五轴精雕；加工工艺
前言
在机械加工中，往往会碰到由无规则变化的自由曲面构成的复合体零件。以人头模型为例，其曲率变化没有规律，形状构造也没有基准，使用三轴数控机床根本无法进行加工，必需采用高精度的五轴数控机床精雕加工。常用的UG、PowerMill、JDSoft SurfMill等软件都具备多轴加工能力。本文使用JDSoft SurfMill软件，论述人头模型的五轴精雕加工工艺及加工策略。
1.人头模型分析
如图1所示，人头模型属于曲面无规则，形状特殊，造型复杂的产品。零件模胚是底面直径32mm的圆柱体，材料为ABS。产品加工要求表面光滑，无衔接痕。其加工工艺分析如下：
a）没有规则的平面，传统的加工方法无法满足要求。
b）造型复杂，曲面的曲率变化随意，增加刀具路径的难度。
c）头发纹路细小，凹凸不平，曲面投影加工差异大。
d）拥有众多主要负角面区域，如图2所示，较难加工。
2.工艺设计
工艺设计直接影响加工效果和加工效率。根据人头模型的形状特点，制定合理的加工工艺是五轴精雕加工的关键。首先根据产品的材料与加工难易，考虑选取合适的加工方式及加工刀具，其次在保证质量的前提下，优化加工工艺。具体分析如下：
2.1选用粗加工刀路分接面
粗加工时，为了提高加工效率，在满足加工要求的前提下，尽可能采用较少的轴数加工，因此决定毛坯开粗时采用3+2定位加工及轴向走刀方式，使开粗残料均匀，加工效率与三轴开粗基本相当。
粗加工刀路分接面的选择应避免在人脸的表面上，尽可能选择在不影响外观、质量和精度的曲面上。基于以上原则，人头模型的刀路分接面应避开人脸，选取以左右耳朵为中心平面作为刀路的分接面，如图3所示。
2.2选择分層粗加工
根据人头模型曲面侧壁有陡峭，加工厚度大的特点，采用分层粗加工方式进行粗加工，以确保大量去除材料的同时提高加工效率和切削的平稳性[1]，分层粗加工以粗加工刀路分接面为基准，设计人头模型前后两部分分层粗加工路径，如图4所示。
2.3应用曲面投影精加工
人头模型头发纹路细小，曲率变化随意，除头顶纹路有同向性外，其它曲面都较复杂且变化多，又由于表面粗糙度要求高，无刀纹衔接痕，因此，人头模型头顶下的四周轮廓面的加工选用曲面投影精加工方法，用曲面法向进行投影，并依据导动面的流线生成初始路径，再按照投影方向在加工面上生成多轴联动的精加工路径[2]，以确保加工曲面光滑过渡，增加曲面、侧壁的加工质量和加工流畅性，曲面投影精加工路径如图5所示。
2.4采取平行截线精加工
根据人头模型头顶轮廓面的形状特点，采取平行截线精加工方式既能减少控制轴的大幅摆动，提高加工效率，又可以简化刀具路径的生成，比曲面投影精加工方式更具有优势。因此，优化加工思路，人头模型头顶下的四周轮廓面采用曲面投影精加工方式，而头顶则采用平行截线精加工方式，如图6所示。
2.5加工刀具的选用
人头模型采用ABS材料，其所需的切削力小，切削热少，切削热量主要由切削碎屑传出。但由于ABS的热导率低，熔点也低，积聚的热量不易传导，容易致使切削区的塑料变软，使加工表面出现涂抹现象。因此，加工刀具要尽量锋利，排屑顺畅。在分层粗加工时，考虑到排屑顺畅及加工的高效性，选用螺纹槽铣刀φ3.175；在曲面投影精加工和平行截线精加工时，为增加曲面加工的精细度，增强人头模型轮廊的表现细腻性，均选用球头刀D4R0.5mm。
3.加工策略
3.1分层粗加工
机床配置中，机床类型的正确配置是机床模拟、路径加工时间计算和准确输出多轴路径的关键。在分层粗加工机床设置中，定义A轴正向旋转90°，C轴在0°和180°相互转换，以便在开粗时C轴能对人头模型前后部分快捷转换，提高加工效率。
根据工艺设计，毛坯设置加工材料为直径32mm的ABS圆柱，旋转轴为Z轴。以刀路分接面为对称中心平面，设置毛坯形状和导动面共同限定加工域，生成多轴联动的分层粗加工路径[3]。并在分层开粗时，采用分层环切走刀，使刀路圆滑过渡，减少精加工时的去除余量。根据ABS材料特性，开粗时应高转速、大走刀，选用螺纹槽铣刀φ3.175 mm，设定补偿余量为0.2 mm，主轴转速6000r/min，进给量5mm/s。使用分层方式为限定深度0.1mm，采取螺旋下刀方式，选择从毛坯外部下刀，设置的路径间距为2mm（≥刀具直径的50%）。在参数设置中要选中‘环切并清角’、‘ 光滑路径’选项，以避免因加工路径间距过大而留下残料，光滑路径是为了提高了加工的流畅性。为了保证人头模型前后加工路径之间衔接的顺利，深度范围参数的底面高度应设置-0.5 mm，以保证前后加工清除余料到位，生成前部分和后部分分层粗加工路径如图4所示。将前后部分分层粗加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，在保证路径的准确性和机床的安全性后，输出粗加工文件。
3.2曲面投影精加工
在分层粗加工的基础上，通过曲面投影精加工方式对工件表面的余量进行精密处理，提高产品的加工质量及表面粗糙度。
采取曲面投影精加工对人头模型脸面四周进行加工，依据人头模型曲面特点，在人头模型脸面四周绘制导动面，如图7所示。根据导动面的U流线方向生成初始投影路径，利用辅助导动面和刀轴控制方式将初始路径投影到加工面生成加工路径[4]。在刀具设置中，选择球头刀D4R0.5，主轴转速11000r/min，进给速度2mm/s，路径间距0.05mm。 将人头模型头顶下的四周曲面选为加工面，将准备工作中在颈下绘制的保护面选为保护面，将导动面选择到辅助加工域中，并在刀具路径参数中进行曲面投影加工的相关参数设置。选取‘螺旋走刀’方式和曲面‘法向投影’方向，在刀轴方向参数设置中，定义刀轴控制方式为与指定旋转轴Z成70°倾斜角。
同理，刀具路径参数设置完毕，生成曲面投影精加工刀具路径，如图5所示。将加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，保证路径准确与机床安全后输出精加工文件。
3.3平行截线精加工
平行截线精加工特别适用于曲面较复杂但陡峭面不多的场合，根据工艺设计，人头模型头顶满足平行截线精加工方式的加工需求。在刀具路径参数中设置平行截线精加工路径间距0.2mm，应用‘切向进刀’方式和‘往复走刀’，修边量在0.03mm，选择球头刀D4R0.5，主轴转速9000r/min，进给速度2.4mm/s。
同理，刀具路径参数设置完毕，生成平行截线精加工刀具路径，如图6所示。将加工路径分别进行加工过程实体模拟、机床模拟、路径过切检查和刀柄碰撞检查，无误后输出精加工文件。
需要注意的是在人头模型头顶生成平行截线精加工刀具路径参数设置中，为了保证人头模型脸面四周的曲面投影精加工路径与头顶的平行截线精加工路径之间顺利衔接，设置平行截线精加工刀具路径与曲面投影精加工路径有小部分重叠，如图8所示，这样能有效提高曲面加工质量，避免两种刀具路径在人头模型加工中产生刀浪缺陷。
3.4加工流程及重要参数
根据以上工艺与策略分析，制定的加工流程及部分重要参数如下：
4.五轴精雕加工
依据工艺设计、加工策略指导，采用500DRT型号机床进行五轴精雕加工。在机床中打开精雕控制软件，调入分层粗加工四轴路径文件，选择螺纹槽铣刀φ3.175mm加工的路径，装上螺纹槽铣刀φ3.175mm进行定义对刀基准。对工件进行分中操作，定义工件原点中的X，Y，Z值，按F5转换多轴路径[5]。检查设置的定位高度、慢下速度、慢下距离等安全参数。在对刀过程中，确保准确性，以减少分层粗加工前后部分引起的刀路对接偏差大，错位大，衔接不顺畅等缺陷。
打开试切模式，并开启正压密封，给转速，启动试切加工，通过试切加工，进一步确认刀具路径的可行性，检验加工的安全性和刀具的干涉性。确认没问题后暂停，取消试切模式，正式启动正常加工。
前后两部分层粗加工完成后，暂停机床，更换球头刀D4R0.5，调入曲面投影精加工五轴路径文件，同理，按上述操作方法对工件进行对刀、定义坐标，并进行试切运行，再进行正常加工，如图9所示。
同理，曲面投影精加工完成后，直接调用平行截线精加工五轴路径文件，由于使用相同的刀具，故不用对刀和定义刀具，直接打开试切运行，再进行正常加工。
5.小结
在人头模型五轴精雕加工时，设计分层粗加工、曲面投影精加工和平行截线精加工等合理工艺，采用高速、精密五轴数控加工手段，有效地保证人头模型的加工精度，提高效率和产品質量，加工好的人头模型如图10所示。
在人头模型加工中应注意以下几点：
（1）分层粗加工的底面高度一定要设置负值，确保余料清除干净。
（2）曲面投影精加工的导动面绘制应包裹住人头模型脸面四周的所有轮廓，以保证生成正确的曲面投影精加工刀具路径。
（3）正式加工之前一定要进行试切加工，确保正常加工的安全。
参考文献
[1] 第喜江.多轴数控加工中心编程与加工技术[M].北京：化学工业出版社.2014.
[2] 孙玉文，徐金亭，任斐，郭强.复杂曲面高性能多轴精密加工技术与方法[M].北京：科学出版社.2014.
[3] 北京精雕公司.模具设计与加工-surfmill使用说明书[M].北京：北京精雕公司.2008.
[4] 进取者软件公司.ES-SurfMill使用说明书[M].北京：北京进取者软件公司.2009.
[5] 北京精雕公司.五轴精雕机床CNC500DRT使用说明书[M].北京：北京精雕公司.2013.