曲面零件的數控加工與刀路應用

藍小紅

[摘? ? ? ? ? ?要]? 針對曲面銑削加工，分別采用了Mastercam X3和CAXA制作工程師2013編制不同加工工藝路線，并進行優缺點對比。在保證零件加工精度和表面粗糙度要求的前提下，選擇合理的加工工藝路線，從而提高數控機床的加工效率，降低加工成本。

[關? ? 鍵? ?詞]? 曲面銑削;加工工藝;數控加工;Mastercam;CAXA

[中圖分類號]? TG54? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）19-0282-03

一、引言

曲面加工在航空、模具、汽車、造船等各領域中廣泛應用。許多零件外形是復雜的曲面，這些復雜形狀零件對加工技術的要求較高，如何實現復雜曲面零件的切削加工，提高加工質量與加工效率，降低加工成本是生產制造過程中普遍面臨的問題。

數控加工是CAD/CAM系統中的重要模塊之一，較傳統加工而言，其加工表面質量較好且加工效率高。尤其適用于加工批量小變化快、型面復雜和精度要求高的產品，對縮短該類產品的制造周期，提高加工精度，降低生產成本等方面具有明顯的優勢。本文以典型復雜曲面的數控銑削加工為例，分別采用了Mastercam和CAXA制作工程師編制不同加工工藝路線，并就數控銑削加工中加工精度的保證和加工效率的提高等方面進行對比。

二、曲面銑削加工實例

（一）零件圖

圖1為一個曲面零件圖，外形為一個圓柱體，有一個復雜曲面組成的凸臺。

（二）工藝方案

1.毛坯為￠55*25mm，采用三爪卡盤裝夾，裝夾高度15mm。

2.選取￠16平底銑刀，轉數2200r/min，進給量800mm/min，下刀速率700mm/min，提刀速率2000mm/min。采用平面銑削加工方式，選取外形輪廓對毛坯平面進行精加工。設置工件表面0.0，加工深度0.0，Z向加工余量0.0。考慮到毛坯尺寸可能不平整，可以通過改變機床Z方向的坐標值，以獲得平整的平面和理想的加工效果。

3.繼續選取￠16平底銑刀，用外形銑削加工刀路，選取外形輪廓對零件的外形進行粗、精加工。設置工件表面0.0mm，切削深度0.0mm，XY方向加工余量為0.0mm，設置XY方向分層2次，每次間距0.1。XY方向分兩刀進行加工，第一刀加工余量為0.1mm，第二刀加工余量為0mm，以達到粗精加工效果。

4.掉頭裝夾，仍然采用三爪卡盤裝夾，裝夾高度15.0mm，采用分中棒對零件進行四面分中。

5.繼續選取￠16平底銑刀，用平面銑削加工刀路，選取外形輪廓對零件的剩余毛坯進行粗、精加工。設置工件表面0.0mm，切削深度0.0mm，XY方向加工余量為0.0mm，設置Z方向分層，每層1.0mm。

6.繼續選取￠16平底銑刀，用曲面挖槽粗加工刀路，選取實體模型對零件的進行粗加工。設置最高切削深度20.0mm，最小切削深度10.0，整體加工余量為0.3mm，設置Z方向分層，每層1.0mm。

7.選取￠10R0.3圓鼻球刀，轉數4500r/min，進給

量800mm/min，下刀速率700mm/min，提刀速率

2000mm/min。用曲面等高精加工刀路，選取實體模型對零件的進行粗加工。設置最高切削深度20.0mm，最小切削深度10.0，整體加工余量為0.0mm，設置Z方向分層，每層0.1mm。

三、加工路線的選擇與對比

Mastercam是美國CNC Software Inc.公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM軟件。它把計算機輔助設計和制造功能有機結合起來，不僅能方便地實現型腔銑削輪廓銑削以及電位加工，還具有強大的曲面粗、精加工功能。采用MasterCAM軟件不僅能大大提高數控編程效率，而且還能編制出手工編程無法實現的復雜曲面的NC程序，因而大受使用者歡迎，并已在復雜曲面零件的加工制造中獲得了良好的應用效果。

CAXA制造工程師是由我國北航海爾公司開發的有自主知識產權的完整CAD/CAM軟件包，并且成為第一屆全國數控技能大賽中指定的CAD/CAM軟件。它將CAD模型與CAM加工技術無縫集成，可直接對曲面、實體模型進行一致的加工操作。支持高速切削工藝，以提高產品精度，降低代碼數量，使加工質量和效率大大提高。可設定斜向切入和螺旋切人等接近和切入方式，拐角處可設定圓角過渡，輪廓與輪廓之間可通過圓弧或S字形方式來過渡形成光滑連接，從而生成光滑刀具軌跡，能滿足較高的表面質量要求。

下面從曲面的粗、精加工分別采用了Mastercam和CAXA制作工程師編制不同加工工藝路線進行外形銑削加工刀路的對比。

（一）曲面輪廓粗加工

1.曲面挖槽粗加工

在Mastercam加工方法中，曲面挖槽粗加工是分層切除曲面與加工范圍之間的所有材料，加工完畢的工件表面呈梯田狀。如圖2曲面挖槽粗加工刀具路徑示意圖所示，Mastercam根據所選的曲面或實體在不同高度的截面形狀，計算出各層的刀具路徑。曲面挖槽粗加工效率高，刀具受力均勻，常作為三維曲面粗加工為首選方案。

操作步驟：

選擇菜單欄中的Tool paths/Surface Rough/Pocket（曲面挖槽粗加工）命令。系統提示選擇加工曲面，框選所有曲面為加工曲面，按Enter鍵確定。

系統彈出“加工曲面、干涉面及加工范圍設置”對話框，單擊Containment選項中的按鈕，選擇￠55的圓弧為加工邊界，單擊按鈕確定。

系統彈出“曲面挖槽粗加工”對話框，在刀具欄空白區單擊鼠標右鍵，從刀具庫里選擇10R0.8的圓鼻刀，并設置刀具參數。

單擊Surface parameters（曲面參數）選項卡，對話框界面切換至Surface parameters界面，并設置刀具參數。

單擊Rough parameters（粗加工參數）選項卡，對話框界面切換至Rough parameters界面，并設置刀具參數。

單擊Cut depths（加工深度）按鈕，系統彈出“加工深度參數設置”對話框，并設置刀具參數。

單擊Pocket parameters（挖槽參數）選項卡，對話框界面切換至Pocket parameters界面，并設置刀具參數。

計算曲面挖槽粗加工的刀具路徑，如圖3所示。單擊操作管理器中的按鈕，進行實體模擬，模擬結果如圖4所示。

2.等高線粗加工

在CAXA制造工程師曲面加工中，等高線粗加工即為分層加工，這個層是編程人員設定的，一般為1.0mm。自動編程軟件根據每一層的零件外輪廓，計算需要避開的輪廓數據和重復的刀路，生成由G代碼為主的后處理程序。其特點是效率較高，刀具軌跡比較簡單，適用于陡峭或者有規律傾斜的曲面，但是其走刀軌跡復雜，因此加工速度較慢。

操作步驟：

打開文件，單擊頂部工具欄中的等高線粗加工按鈕。

彈出加工參數對話框，進行加工參數的設置。加工方式為往復，加工方向為順銑，選擇層優先，設置余量、精度、行距、層高等參數。

單擊“區域參數設置”選項卡，設置加工邊界和高度范圍等參數。

單擊“連接參數設置”選項卡，選擇連接方式為從安全距離接近，返回到安全距離。并設置下抬刀方式。

單擊“切削用量”選項卡，根據所選刀具和用料設置刀具參數。

單擊“刀具參數”選項卡，并設置刀具參數。

單擊“幾何”選項卡，選擇加工曲面。

單擊確定按鈕，計算等高線粗加工的刀具路徑，如圖5所示。單擊操作管理器中的按鈕，進行實體模擬，模擬結果如圖6所示。

3.曲面挖槽與等高線粗加工對比從圖3和圖5兩種加工方法的刀具路徑對比，可以看出等高線粗加工要比曲面挖槽粗加工走刀軌跡復雜。而從兩種加工方法的實體加工模擬結果如圖4和圖6來看，區別并不大。下表中，我們給出相同的自動編程約束條件，來對比兩種加工刀具路徑軌跡生成時間、加工時間、程序長度以及代碼行數，可以看出曲面挖槽在粗加工上加工效率更高一些，可以節省更多的加工時間，降低加工成本。

（二）曲面輪廓精加工

精加工階段考慮的主要因素是加工精度，因而在保證加工精度的前提下盡可能提高加工效率。

針對此零件，曲面挖槽精加工與等高線精加工在操作步驟上和粗加工基本上一致。因等高線精加工在設置層高時可以選擇層高自適應，所以在邊緣處曲率較大的地方等高線精加工的走刀路線明顯更密集一些，如圖7和圖8所示。加工的表面質量明顯要比曲面挖槽精加工要好很多。

通過上面幾條刀路的對比，采用Mastercam對該零件進行曲面挖槽粗加工，然后再采用CAXA制作工程師進行精加工，即可以加快開粗的速度，又可以有較高的表面質量。從而最終加工出一個合格零件。

四、Mastercam和CAXA制作工程師的綜合運用

在曲面粗加工時，盡量采用Mastercam曲面挖槽粗加工方式，而不是采用等線粗加工方式，這種粗銑效率高。粗銑后的曲面類似于山坡上的梯田。臺階的高度由粗銑深度而定。精銑的目的是銑掉“梯田”的臺階，采用CAXA制作工程師自動編程，保證整個曲面的加工精度。針對不同的曲面采用不同的精加工刀路，在有圓角過渡的平坦曲面用掃描線精加工刀路和曲面區域精加工刀路，加工到圓角過渡處會有踩刀和震刀現象，加工完還要對其圓角過渡之間進行補加工，對工件的加工精度很難保證。采用三維偏置精加工刀路能夠對圓角過渡面與主體面一次加工出來，不存在接刀痕影響工件的表面粗糙度。

五、結語

數控機床在加工曲面成型零件具有明顯的優勢。根據不同的零件特征，靈活運用兩種或多種加工方法，只要不斷探討、總結、比較，從而能夠很好地制定出合理的加工工藝，最終對有效提高加工質量與加工效率具有良好的發展趨勢。

參考文獻：

[1]數控銑工（高級）[M].北京：中國勞動社會保障出版社出版，2008.

[2]數控機床編程與操作[M].北京：機械工業出版社，2012.

[3]數控加工工藝[M].北京：機械工業出版社，2010.