基于MasterCAM對(duì)零件造型、加工的分析

鄭澤林

摘 要：隨著技工教育的不斷發(fā)展，機(jī)床的不斷升級(jí)，零件的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜化，零件造型、加工應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，MasterCAM是加工中一種常見(jiàn)的仿真軟件。CAD/CAM得到廣泛運(yùn)用，MasterCAM對(duì)零件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，并對(duì)零件進(jìn)行編程加工，日趨重要。本文將通過(guò)加工實(shí)例，講述曲面造型的方法，分析薄壁和曲面加工的難點(diǎn)和解決的方法。

關(guān)鍵詞：零件造型設(shè)計(jì)；加工編程；曲面造型；薄壁加工

1前言

隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，CAD/CAM得到廣泛運(yùn)用，從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)模式。MasterCAM提供了從產(chǎn)品的幾何造型設(shè)計(jì)到加工制造過(guò)程中各項(xiàng)功能。它利用多種方式對(duì)零件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，并且通過(guò)各種方法對(duì)零件的加工進(jìn)行自動(dòng)編程，通過(guò)后置處理快速生成數(shù)控代碼，完成零件的設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工的過(guò)程。進(jìn)行零件造型設(shè)計(jì)，能保證零件在后續(xù)加工編程中準(zhǔn)確生成加工程序，實(shí)現(xiàn)零件的正確造型。而對(duì)零件加工過(guò)程中如何提高加工效率，要求在生成加工程序時(shí)，要對(duì)刀具路徑進(jìn)行合理的安排，才會(huì)使零件完整、有序的加工出來(lái)。本文主要研究利用MasterCAM平臺(tái)提供的功能，對(duì)零件造型設(shè)計(jì)和零件加工進(jìn)行分析。

2工件分析

如圖1、2、3分別是零件的正面俯視圖、局部剖左視圖和反面俯視圖。

由所示圖中可以得知：該零件外形為一個(gè)100x100mm并帶有圓角為R20mm的正方形，在正面圖形中，有一個(gè)高為5mm，半徑為R45mm的凸臺(tái)，凸臺(tái)中心處還有一處半徑為R14.5mm深為10mm的圓槽，凸臺(tái)上還有一高度為5mm，厚度為1mm的類(lèi)似風(fēng)扇葉片的薄壁圖樣，而反面造型中是一個(gè)復(fù)雜曲面造型，設(shè)置了橫向引線在通過(guò)縱向?qū)б€生成的一個(gè)復(fù)雜曲面。

3零件的造型設(shè)計(jì)

對(duì)于正面圖形而言，通過(guò)對(duì)二維圖形的有序組合就可以得到正面圖形的外形設(shè)計(jì)，如圖4所示。但對(duì)反面圖形來(lái)說(shuō)，要設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜曲面，在設(shè)計(jì)的時(shí)候就有多種選擇，設(shè)計(jì)不好，曲面將不能生成，或是生成了將會(huì)產(chǎn)生縫隙，不能將曲面融合起來(lái)，不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在設(shè)計(jì)三維復(fù)雜曲面的時(shí)候，MasterCAM平臺(tái)提供了六種曲面造型工具，通過(guò)對(duì)三維線框的分析，應(yīng)該選擇昆氏曲面造型工具。昆氏曲面造型簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)數(shù)行跟列來(lái)確定曲面的經(jīng)緯線，根據(jù)這一思路，我們根據(jù)通過(guò)昆氏曲面進(jìn)行造型，造型圖如下圖5所示。

在利用昆氏曲面造型的時(shí)候，很多時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。產(chǎn)生這種問(wèn)題的原因是因?yàn)樵跇?gòu)造昆氏曲面的時(shí)候，要選擇的縱向邊界比較多，如果不能保證所選的方向都是一致的話就容易產(chǎn)生圖5中所示的情況，需要解決這個(gè)問(wèn)題有兩種方法：第一就是在選擇方向的時(shí)候，一定要保證所有邊界橫向、縱向各自的方向一致，如圖6所示。

這一種方法中，對(duì)串聯(lián)方向比較難保證，因?yàn)樵谶x擇的過(guò)程中對(duì)方向的控制容易出現(xiàn)分叉點(diǎn)，有時(shí)候即使是方向保證好了，也不一定能將這一曲面完整的做出來(lái)，這是因?yàn)橛袝r(shí)候縱向截面線的形狀相差太遠(yuǎn)，在過(guò)渡的時(shí)候沒(méi)有平滑過(guò)來(lái)，就像圖6中的4條截面線，右端兩條是半圓弧，左邊兩條是跨度比較大的圓弧組合曲線，在連接的時(shí)候，很容易就出現(xiàn)像圖5所示的過(guò)渡不平滑和與線框不連接的問(wèn)題。所以這一種方法在做昆氏曲面時(shí)個(gè)人不贊成使用。

第二種方法就是將昆氏曲面的行與列簡(jiǎn)化成一行一列的形式。這樣做的好處是可以將復(fù)雜的三維線框簡(jiǎn)化掉，同時(shí)也可以避免在串聯(lián)時(shí)對(duì)方向的選擇問(wèn)題，因?yàn)橐恍幸涣械脑挘瑢?duì)行和列就只有一個(gè)方向了，并且行列邊界就是曲面的范圍，中間也沒(méi)有面上導(dǎo)引線，所以在曲面生成時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生邊界與線框脫離的問(wèn)題。一行一列的昆氏曲面在選擇曲面融合的方式時(shí)也較為簡(jiǎn)單，只要選擇了，曲面上都會(huì)很平滑的過(guò)渡，不會(huì)產(chǎn)生明顯的過(guò)渡痕。這一方法比較麻煩，但對(duì)昆氏曲面生成的效果會(huì)好點(diǎn)，并且在截面線越多的情況下，用最簡(jiǎn)單的方法做，效果會(huì)更好些。用這種方法生成的昆氏曲面如下圖7所示。

總之，在對(duì)曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，都要對(duì)曲面進(jìn)行分析，如果曲面設(shè)計(jì)時(shí)得不到想要的效果或者產(chǎn)生不正確曲面，對(duì)后面零件的加工將帶來(lái)負(fù)面的影響。

4零件的編程加工

零件造型設(shè)計(jì)處理好了，接下來(lái)要對(duì)零件進(jìn)行編程加工，跟造型設(shè)計(jì)一樣，對(duì)零件進(jìn)行編程加工時(shí)，也要對(duì)零件造型進(jìn)行分析，因?yàn)槿魏我粋€(gè)零件都存在著加工難點(diǎn)，處理好這些問(wèn)題才能實(shí)現(xiàn)加工的最優(yōu)化處理。就這一零件而言，存在兩處難點(diǎn)，其一就是正面類(lèi)風(fēng)扇葉片的陣列薄壁加工，其二就是反面的三維曲面加工。

就正面六片類(lèi)扇葉零件而言，在加工時(shí)去除材料多為90%以上，屬于薄壁零件的加工。薄壁零件一直都是制造業(yè)中比較棘手的問(wèn)題，該類(lèi)零件壁薄，剛性差，裝夾難，加工時(shí)易變形，使得工件的形位誤差增大。在加工過(guò)程中需要解決的問(wèn)題是減少變形，保證精度，盡量提高其加工效率。因此，對(duì)薄壁零件加工就必須充分地考慮工藝問(wèn)題對(duì)零件加工質(zhì)量的影響，對(duì)工件裝夾、工序安排、走刀路線、切削用量參數(shù)、刀具選用等多方面進(jìn)行優(yōu)化。

該處零件存在壁薄、較深、剛性差等特點(diǎn)，加工中主要要克服切削力、切削熱所產(chǎn)生的應(yīng)力變形。考慮到如何減少切削力的問(wèn)題，這里采用減少吃刀量的方法，使工件所受阻力減少來(lái)降低切削力對(duì)薄壁處的應(yīng)力變形。其中可以使用冷卻液防止切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱對(duì)薄壁的影響。但為了提高加工效率，也可以采用高速切削的方法，吃刀量較小，在加工過(guò)程中可以適當(dāng)?shù)奶岣哌M(jìn)給，這樣做的好處不但可以提高效率，縮短時(shí)間，另外的作用是，在高速切削下，切削所產(chǎn)生的熱量還沒(méi)有來(lái)得及傳導(dǎo)到工件上就已經(jīng)隨切屑排除。在對(duì)薄壁處進(jìn)行精加工時(shí)，采用同樣的方法，也是利用提高切削速度的方法，但精加工時(shí)，余量只有0.2mm左右，所以可以適當(dāng)?shù)奶岣呔庸r(shí)的吃刀量深度，提高效率。

在反面圖形中，是一處不規(guī)則曲面的加工，在加工曲面的過(guò)程中，主要的加工問(wèn)題就是解決好曲面與平面相交處的加工問(wèn)題，這里主要要考慮的是利用好銑刀，提高表面質(zhì)量，同時(shí)也要提高加工效率。

對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行精加工時(shí)，都會(huì)選擇球刀對(duì)曲面進(jìn)行精加工，利用球刀進(jìn)行清角處理的時(shí)候，平面會(huì)阻礙球刀的下深（如圖8），使球刀不能對(duì)曲面進(jìn)行精加工，產(chǎn)生一個(gè)加工死角，也就是圖示中的黑色部分，使工件精度達(dá)不到要求。

要解決這個(gè)問(wèn)題，要采用平底銑刀進(jìn)行曲面的精加工，平底銑刀加工的時(shí)候，利用直線逼近的方法對(duì)曲面進(jìn)行加工（如圖9），但逼近直線步進(jìn)值太大的話，一樣會(huì)影響加工精度，所以必須控制平底銑刀的每次下深的吃刀量值，吃刀量值越小的話，表面粗糙度將越高，但如果不斷的控制吃刀量的話，將會(huì)降低加工效率，其次，當(dāng)吃刀量達(dá)到一定程度的時(shí)候，對(duì)表面粗糙度的影響就沒(méi)有那么明顯了，所以在保證要求的粗糙度情況下，加大吃刀量，提高加工效率，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的最優(yōu)化處理。

出于這種考慮，對(duì)曲面進(jìn)行加工的時(shí)候，就先對(duì)曲面進(jìn)行粗加工，加工過(guò)后直接利用平底銑刀對(duì)較低位置進(jìn)行精加工，接著球刀對(duì)整體曲面進(jìn)行精加工，對(duì)整體曲面進(jìn)行精加工，都要根據(jù)球刀半徑來(lái)限定曲面的加工深度，限定了深度不僅可以限定加工區(qū)域，也能利用刀具對(duì)曲面的精加工，既提高效率，也能提高表面質(zhì)量。

利用上述的辦法對(duì)曲面加工，得到圖10的曲面加工效果圖。

在效果圖上，球刀與平底刀的接到處沒(méi)有明顯的接刀痕，但實(shí)際加工效果中，在這一處接刀的地方會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)痕跡，但對(duì)曲面的表面粗糙度沒(méi)有很大的影響，可以滿足零件的粗糙度要求。

5結(jié)語(yǔ)

在利用MasterCAM對(duì)零件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，加工的時(shí)候，要做到充分分析零件的構(gòu)造，合理利用MasterCAM平臺(tái)提供的功能，才能準(zhǔn)確無(wú)誤的對(duì)零件造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，快速生成零件造型。進(jìn)行零件加工編程的時(shí)候，要分析好零件加工過(guò)程將遇到的加工瓶頸，找出零件加工的難點(diǎn)，利用合理的編程方法解決這些難點(diǎn)，才能加工出要求的零件。

本文對(duì)零件的造型設(shè)計(jì)、加工編程依照上述圖例進(jìn)行問(wèn)題分析，提出了自己的見(jiàn)解，在實(shí)際加工中也會(huì)遇到更多的問(wèn)題，需要不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，從而提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

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