淺談加工中心加工復雜三維曲面的分析

黃丹丹

【摘 要】在機械加工中我們經常會遇到一些比較復雜的三維曲面的加工，如何利用合適的設備，合理的工藝，正確的刀具路徑加工是我們一直需要考慮的事情。有一批復雜的零件，需要運用五軸加工中心能很容易加工出來，由于操作車間只有三軸立式加工中心，結果我利用簡單的工裝，分步加工，合理設計加工工藝，最終用三軸加工中心加工出了這批零件，取得了最大的經濟效益！

【關鍵詞】三軸立加；復雜曲面；Mastercam刀路；傾斜裝夾

0 前言

加工中心是現代機械制造系統中的重要組成設備，它的通用、靈活、高效率、高精度、同質量等優點，決定了該設備的應用日益廣泛。但如何提高加工效率，降低廢品率成為眾多企業共同探討的問題。在機械加工中我們經常會碰到一些異形復雜的零件，有些需要四軸或者五軸加工中心來加工。但是現在的五軸加工中心價值不菲，動則上百萬，不是每個企業都能承受。那么有些零件我們可以通過加工工藝的設計，零件的裝夾方法等方面著手，利用三軸加工中心生產，降低了企業的生產成本。

表1 加工工藝卡

1 問題提出

圖1所示零件是某模具上注料的圓轉方的過渡板，此零件的難點就在于中間內腔部分是圓轉變方形的曲面結構，長方形的長度大于圓的直徑，而長方形的寬度小于圓的直徑，從長方形長邊方向看過去是個倒八的結構，但是從短邊方向看過去卻是正八的結構。由于長方形的寬度小于圓形的直徑，若采用三軸立式加工中心進行加工的話，不管從哪邊下刀加工刀具和零件都會造成干涉。此類零件加工時需要主軸或者工件能夠旋轉或擺動角度才能進行加工。通常情況下，最好是使用五軸立式加工中心進行加工生產。由于沒有五軸的加工中心，受到加工條件的限制。在現有的加工條件下，如何合理地針對產品特性進行加工工藝設計，并采用現有的設備對產品進行有效的加工？在軟件上對產品復雜曲面——圓轉方曲面的分析和研究，得到結論：可以利用夾具對產品進行一定角度的擺放裝夾，在三軸立式加工中心上是可以進行加工的。現就此產品運用三軸立式加工中心所設計的加工工藝及工序進行剖析。由于本產品除了圓轉方曲面相對復雜外，其他需要加工部位較為簡單，所以本文主要就圓轉方曲面部位的加工進行闡述。

2 問題分析、處理

我先運用Mastercam軟件繪制出了零件中間內腔的曲面部分，如圖2所示，若采用三軸立式加工中心上進行加工該組曲面，不管從哪邊加工刀具和工件都會干涉。由于長方形這一面的開口范圍大于圓形那面，所以決定從長方形這面下刀加工，分三步把曲面部分加工出來。

圖2

第一步，先在零件的中心鉆一個通孔。此零件的外形是規則的長方體，所以選用臺虎鉗進行裝夾比較方便。由于零件中間是全部貫通的，為了更大程度地節約加工時間，提高加工效率，在工藝上先用？覫16的鉆頭從中心將零件鉆穿，然后分別用？覫22和？覫25的鉆頭擴孔，先除去一部分余量，這樣也方便后面的銑刀垂直下刀保護刀具以及提高加工效率。

第二步，將長方形的垂直投影區域加工出來。使用粗加工挖槽方式加工曲面，刀具選取？覫12的平底銑刀，進刀選項中選擇指定點下刀，而下刀點則選擇工件的零點，挖槽方式選擇等距環切并選擇由內而外環切，這樣銑刀可以從剛才鉆孔位置下刀從而保護刀具。

選取如圖3所示的左右兩邊的橙色曲面部分粗加工，余量留0.2mm，曲面粗加工完成后，再用R6的球刀精銑圖4中兩邊橙色的曲面，在Mastercam中選取曲面精加工-等高外形加工。

圖3

第三步，零件左右兩側加工完畢后，開始加工圖3上下綠色部分的曲面。由于這兩部分的曲面有向外的拔模角，如果工件水平放置的話刀具和工件干涉無法加工，我想將零件旋轉一定的角度，這樣刀具就可以加工到零件的底部而且也避免了刀具干涉。經過電腦計算和分析，我將工件旋轉10度裝夾，剛好可以將這部分的曲面加工完。

為了節約成本，我沒有做復雜的夾具，而是用銑床加工了兩塊10度的墊鐵，墊在工件下方并用虎鉗裝夾工件，這樣可以保證工件傾斜10度的裝夾。

工件傾斜10度裝夾好后，因為加工表面不是平面，工件短邊一側的加工坐標零點和Z軸的零點很難找到，如果直接對開口的尖角，誤差會很大，為了減少工件的加工誤差，這時對刀就需要借助一些輔助措施。我用了一把6mm的直柄銑刀輔助對刀，如圖4所示，在長方形臺階處放一把6mm銑刀，對刀時只需要對銑刀頂端，然后正向偏移1.09mm的位置就是Z軸的零點，對銑刀外圓的左側向右偏移31.1mm就是X軸的零點，Y軸直接利用工件對稱分中就可以了，以上這些對刀所需的數據都可以通過電腦軟件計算分析得出。

圖4

工件裝夾對好刀后，先用？覫12mm的平刀粗加工，因為現在所加工的曲面是個陡斜面，高低差比較大，使用等高外形粗加工方式比較合適，抬刀較少，刀具路徑如圖5，精銑時用R6的球刀，刀具路徑如圖6。另一邊的曲面是對稱的，加工只需將工件旋轉180度裝夾，按照以上的步驟對刀，并使用相同的程序加工。這樣此零件的所有切削均已完成。

由于此零件通過是裝夾三次才完成加工的，裝夾和對刀多少會存在一些定位誤差，所以在工件內腔的四個角一定會有接痕，需要用砂紙或者油石打磨修光。

圖5 圖6

3 結束語

實踐證明，此模具型腔曲面圓轉方，雖然在五軸上有著明顯的優勢，但在立式三軸加工中心上只要充分地分析好產品特性，并運用恰當的加工工藝方法也同樣可以達到其最終所要求的加工效果，同樣可以取得良好的經濟效益.可見大膽創新是提高生產效率，增長利潤的有效途徑，模具加工的每道工序及其加工工藝都是非常關鍵的，每道工序也只有通過多次比較，反復論證，才能找到最好的方案，才能最大發揮機床的性能，滿足加工的需要。

【參考文獻】

[1]郭鐵良.模具制造工藝學[M].高等教育出版社，2002，2.

[2]顧雪艷.數控加工編程操作技巧與禁忌[M].機械工業出版社，2007，7.

[3]韓鴻鸞.數控加工技師手冊[M].機械工業出版社，2007，12.

[4]嚴烈.MasterCAM9應用基礎教程[M].冶金工業出版社，2009，3.

[責任編輯：楊玉潔]