基于Mastercam的復(fù)雜凹模零件加工

李國榮

（云浮技師學(xué)院，廣東 云浮527300）

0 引 言

當(dāng)前CAD/CAM軟件已廣泛應(yīng)用于我國的制造業(yè)中，CAD/CAM軟件的應(yīng)用極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與編程加工的效率[1]。Mastercam是由美國CNC公司開發(fā)的基于PC平臺(tái)的集產(chǎn)品設(shè)計(jì)與數(shù)控編程加工于一體的CAD/CAM軟件，在機(jī)械加工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛并具有很強(qiáng)的影響力。Mastercam在CAM方面編程操作簡(jiǎn)單，易上手，特別是強(qiáng)大高效的二維刀路及針對(duì)不同造型特點(diǎn)的三維刀路模組的運(yùn)用得到了用戶的高度認(rèn)可[2]。

1 零件分析

圖1所示為復(fù)雜凹模零件，毛坯尺寸為150 mm×90 mm×35 mm，加工材料為45鋼，表面粗糙度為Ra1.6 μm。該零件上表面為R150 mm的圓弧曲面，在R150 mm的圓弧曲面左右對(duì)稱各分布了一個(gè)φ10通孔，零件中心為四邊形花型腔，花型腔中心有拔模38°星形凸臺(tái)曲面，該曲面與花形腔底面采用R10倒圓弧曲面過渡，星形凸臺(tái)外形的四邊交會(huì)處為尖角曲面，拔模星形凸臺(tái)頂面有拔模30°且深2 mm的淺凹槽。綜合而言，該零件所要加工的曲面特征較多，曲面特征變化大，特別是拔模曲面和尖角曲面的加工，而且部分特征的加工精度和表面粗糙度要求較高。

2 加工策略

2.1 工藝分析

該零件曲面造型特征多，曲面不完整，加工難點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：1）如何加工R150圓弧曲面上的兩個(gè)對(duì)稱通孔；2）如何生成連續(xù)的刀路，減少跳刀，保證零件的表面粗糙度和提高加工效率；3）如何避免星形凸臺(tái)的4個(gè)尖角在加工時(shí)產(chǎn)生的過切現(xiàn)象，以獲得良好的形狀特征；4）如何快速加工拔模30°的淺凹槽并保證表面質(zhì)量。

圖1 復(fù)雜凹模零件

根據(jù)工藝分析結(jié)果，針對(duì)兩個(gè)曲面上的對(duì)稱通孔采用工序前移的辦法，避免加工時(shí)產(chǎn)生斷刀現(xiàn)象。結(jié)合Mastercam軟件刀路的生成特點(diǎn)對(duì)破損的曲面采用修補(bǔ)曲面的方法，以實(shí)現(xiàn)刀路的連續(xù)性和平滑性，實(shí)踐證明保持刀路沿原完整加工特征的全范圍加工能有效地避免尖角的加工效果。對(duì)拔模30°的淺凹槽曲面特征采用2D倒角加工的特殊處理方法，以保證加工質(zhì)量。

2.2 工序前移

鉆孔加工工序通常都是安排在后期進(jìn)行，該零件的兩通孔位于R150圓弧曲面上，如果安排在加工圓弧曲面工序之后，因進(jìn)刀面不平整，加工時(shí)會(huì)因鉆頭受力不均而產(chǎn)生跑位甚至斷刀的現(xiàn)象，因此把通孔加工工序前移至加工R150圓弧曲面之前即可解決該問題。

2.3 構(gòu)建輔助曲面

2.3.1 填補(bǔ)內(nèi)孔

根據(jù)Mastercam刀路的生成特點(diǎn)，對(duì)于一些破損曲面的加工通常需進(jìn)行修補(bǔ)來生成連續(xù)的刀路。該零件會(huì)因加工兩個(gè)對(duì)稱通孔而造成曲面的不完整，加之零件中間的花形腔特征也造成了比較大范圍的曲面破損，為實(shí)現(xiàn)粗加工快速去除余量的目的，以及考慮生成刀路的連續(xù)性，對(duì)Rl50的圓弧曲面及30°凹槽作了曲面修補(bǔ)處理策略。在Mastercam軟件的菜單欄上點(diǎn)選【繪圖】/【曲面】/【填補(bǔ)內(nèi)孔】選項(xiàng)，點(diǎn)擊圓弧曲面，選擇【填補(bǔ)所有的內(nèi)孔】，點(diǎn)擊30°凹槽頂面，修補(bǔ)完成后的效果如圖2（a）所示。經(jīng)填補(bǔ)內(nèi)孔處理后，有助于生成較好的刀具路徑，并能有效地減少了跳刀的次數(shù)，避免了刀具因頻繁地跳動(dòng)而導(dǎo)致的機(jī)床抖動(dòng)，最終影響加工質(zhì)量。未修補(bǔ)曲面前生成的刀路如圖2（b）所示，修補(bǔ)曲面后生成的刀路如圖2（c）所示，修補(bǔ)曲面改善后的仿真加工效果圖如圖2（d）所示。

圖2 曲面修補(bǔ)處理策略

2.3.2 恢復(fù)破面

在加工38°斜度星形凸臺(tái)及過渡圓弧曲面時(shí)，傳統(tǒng)的加工策略是按照零件的特征直接采用精加工等高外形的加工刀路，生成的刀路效果如圖3所示，由圖可知，跳刀過多，該曲面的加工質(zhì)量達(dá)不到精度要求，且容易造成4個(gè)尖角過切。

為解決刀路不連續(xù)問題，在建模時(shí)可在切割實(shí)體完成星形凸臺(tái)建模前生成曲面，從而實(shí)現(xiàn)破面的恢復(fù)，為與其他特征相區(qū)分，可將此特征保存在另一個(gè)獨(dú)立的圖層，以備加工時(shí)方便調(diào)取。具體操作如下：1）繪制四邊星形凸臺(tái)的半截面線框-實(shí)體旋轉(zhuǎn)；2）新建圖層后，通過菜單欄選擇【繪圖】/【曲面】/【由實(shí)體產(chǎn)生曲面】選項(xiàng)，點(diǎn)選星形凸臺(tái)切割前的兩個(gè)實(shí)體面，點(diǎn)【結(jié)束選擇】生成兩個(gè)待加工的曲面（如圖4（a））。對(duì)該部分曲面采用精加工等高外形的方式進(jìn)行編程，生成了如圖4（b）所示的連續(xù)刀路。實(shí)踐證明加工時(shí)間大縮短了，在進(jìn)給率同設(shè)為600 mm/min，下刀速率設(shè)為300 mm/min的情況下，加工時(shí)間由原來的23 min42 s縮短為15 min27 s。

圖3 傳統(tǒng)星形凸臺(tái)刀路效果

圖4 恢復(fù)曲面編程操作

在完成兩個(gè)曲面的加工后，對(duì)花型腔安排2D挖槽刀路即能有效地避免了4個(gè)尖角的過切現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 花型腔精加工

2.3.3 巧設(shè)倒角參數(shù)

該零件中30°斜度淺凹槽特征在加工時(shí)不容易處理，因?qū)儆诿た准庸ぃ绻褂脠A鼻刀生成曲面加工刀具路徑達(dá)不到清角的目的。若使用平底刀作曲面加工，雖能起到良好的清角效果，但拔模斜面的表面質(zhì)量并不理想，容易出現(xiàn)臺(tái)階紋。為得到良好的表面質(zhì)量及良好的清角效果，可選用30°錐角度的倒角刀去處理，根據(jù)圖形分析結(jié)果準(zhǔn)確地設(shè)置倒角寬度為1.51 mm，尖部補(bǔ)償設(shè)置為0 mm,如圖6（a）所示。實(shí)踐加工證明，可得到良好的加工質(zhì)量，如圖6（b）所示。

圖6 倒角加工

綜上所述，實(shí)際加工中，在充分考慮刀具集中原則、粗精加工分開的原則下，采用了表1所示的加工工藝策略編制刀路。

根據(jù)上述的加工策略進(jìn)行編程加工，仿真加工效果如圖7所示，結(jié)合實(shí)際加工情況分析，該加工策略可行，滿足圖樣的加工精度要求。

3 結(jié) 語

基于Mastercam軟件刀路的編程特點(diǎn)，結(jié)合零件的造型特點(diǎn)，通過曲面修補(bǔ)、恢復(fù)原造型等構(gòu)建輔助曲面曲線的方法，是保證生成連續(xù)刀具路徑的基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)刀路加工范圍的控制。同時(shí)巧妙設(shè)置加工參數(shù)能有效提高加工效率并起到改善加工質(zhì)量的效果。在實(shí)踐中需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具路徑的輕松控制，達(dá)到提高加工效率與質(zhì)量的效果。

表1 加工工藝策略

圖7 仿真加工效果