1 引言

　　逆向工程是適應(yīng)實(shí)踐需要而產(chǎn)生的一項(xiàng)新的造型技術(shù)，主要用于沒(méi)有工程圖紙的情況下的產(chǎn)品制造。本文以人頭模型為例，探討人頭模型的逆向造型設(shè)計(jì)及其數(shù)控加工。這項(xiàng)研究不僅對(duì)于提高復(fù)雜曲面零件制造技術(shù)具有重要意義，而且將其作為一個(gè)教學(xué)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，對(duì)于整合高等職業(yè)院校現(xiàn)有教學(xué)資源，完善學(xué)校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作，開(kāi)闊學(xué)生眼界，為社會(huì)輸送高技能應(yīng)用人才，也將起到積極作用。

2 零件建模

　　本文所采用的造型主要采用Ceomagic Studio實(shí)現(xiàn)自南曲面全逆向NURBS構(gòu)的工作流程，主要有點(diǎn)云處理、多邊形處理和曲面處理等三個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。在點(diǎn)云處理階段獲取點(diǎn)云后進(jìn)行著色處理以方便顯示點(diǎn)云，進(jìn)行去除體外孤點(diǎn)、減少噪音等操作；其次在多邊形處理階段進(jìn)行填充孔、去除突起或多余特征、將多邊形用砂紙打磨光滑、對(duì)多邊形進(jìn)行松弛操作、修復(fù)相交區(qū)域、編輯各處邊界等操作。為后續(xù)的多邊階段的處理和曲面處理奠定了基礎(chǔ)。在最后的形狀階段的主要操作分為三個(gè)階段，第一階段是對(duì)多邊形化模型的曲面片分割，這是曲面造型方式中最為關(guān)鍵的一步，它決定著后續(xù)曲面重建的質(zhì)量；第二階段是對(duì)曲面片網(wǎng)格模型參數(shù)化的結(jié)果，該進(jìn)程決定著最終曲面重建的精度，網(wǎng)格劃分越細(xì)，曲面重建的精度就越好；第三階段是最終曲面重建的結(jié)果，圖1是由點(diǎn)云到最終生成曲面的整個(gè)過(guò)程。

    圖1 點(diǎn)云到最終生成曲面的整個(gè)過(guò)

3 數(shù)控加工

　　3.1 工藝方案分析

　　加工分析人頭模型零件的主要尺寸為：最大外形φ60×60mm。

　　使用多軸用三軸數(shù)控機(jī)床無(wú)法一次裝夾加工完成，需采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床才可以實(shí)現(xiàn)一次裝夾能完成加工任務(wù)。該實(shí)例主要利用NX軟件自動(dòng)生成加工程序，由于曲率變化較大，數(shù)控機(jī)床加工中刀軸的控制則是關(guān)鍵。該零件的難度在于曲率半徑較小的加工區(qū)域及非連續(xù)曲面的加工精度。為了保證加工效率和精度，粗加工時(shí)采用直徑較大的立銑刀，以便在短時(shí)間內(nèi)去除大量余料；其次使用相對(duì)較小的球頭銑刀進(jìn)行半精加工，保證精加工的余料小而且均勻；最后采用直徑較小的球頭銑刀進(jìn)行精加工，保證了人頭模型的加工精度和加工質(zhì)量經(jīng)過(guò)分析，其加工工藝路線為：曲面零件粗加工→曲面零件半精加工→殘料清根→曲面零件精加工→最終殘料清根。

　　3.2 CAM加工過(guò)程

　　經(jīng)過(guò)分析，最終確定加工分為四個(gè)步驟：一次開(kāi)粗、二次開(kāi)粗、半精加工和精加工。一次開(kāi)粗是為了快速去除多余材料；二次開(kāi)粗是為了清除次開(kāi)粗不能加工到的部分的多余材料；半精加工是為精加工做準(zhǔn)備，使精加工時(shí)加工量均勻：最后精加工完成模型的加工，并獲得較好的加工質(zhì)量。

　　加工操作：

　　(1)粗加工部分，粗加工采用定軸層銑，分別用“+X”“-X”軸做刀具軸線加工，創(chuàng)建兩個(gè)一次開(kāi)粗的操作，然后生成刀具路徑。這兩個(gè)刀路如圖2(a)、(b)所示。粗加工程序的編制，保證人頭模型在粗加工完成之后大部分材料已去除。為了提高加工效率采用φ10mm的立銑刀加工。

　　(2)半精加工部分。粗加工后余料仍然較多，需對(duì)零件進(jìn)行半精加工，以保證精加工的余量均勻。使用等離線加工對(duì)人頭模型進(jìn)行分層銑削可以有效地去除余料。由于等高線加工方法仍然不能很好加工到一些細(xì)節(jié)部分，比如耳朵和眼睛等部位，所以最后使用殘料清角的方式去除余料，使得輪廓更清晰。

　　(3)精加工部分。為滿足加工精度及得到較好的表面質(zhì)量，首先對(duì)人頭模型進(jìn)行最終精加工，然后再用φ4mm球頭刀具對(duì)零件不同區(qū)域再進(jìn)行清角加工，為保證零件的加工精度需求，選擇合理的加工方式和走刀方法，設(shè)置合理的加上參數(shù)。

　　圖2所示為加工模擬過(guò)程。

    圖2 加工模擬過(guò)程

　　3.3 NC程序代碼的生成后處理

　　模擬完成后進(jìn)行后置處理，編制程序。

4 結(jié)語(yǔ)

　　本文主要利用Ceomagic和UG軟件實(shí)現(xiàn)了由實(shí)物到CAD模型再到數(shù)控加工，對(duì)逆向造型設(shè)計(jì)和數(shù)控加工方法及工藝進(jìn)行了研究。在實(shí)物建模中，曲面片網(wǎng)格模型參數(shù)化處理是影響最終曲面精度的關(guān)鍵因素，而在利用機(jī)床對(duì)人頭模型零件進(jìn)行加工時(shí)也應(yīng)格外注意產(chǎn)品的特點(diǎn)，進(jìn)行合理的加工刀路設(shè)置。研究證明，通過(guò)采用CAD設(shè)計(jì)和CNC數(shù)控加工的制造方式，可以更為便捷地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的逆向工程，更有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的品質(zhì)。