數控加工中曲面加工方法的比較

摘 要：在數控加工中有多種曲面加工的方法，而不同的加工方法會對加工效率與加工質量產生重要的影響，通過分析比較各種曲面加工方法，綜合考慮其優缺點，有利于工程技術人員選擇最優的加工方式。

關鍵詞：數控加工；CNC；曲面加工；MasterCAM

在目前的機械制造領域，數控加工技術（Numerical Control Machining）應用非常廣泛，是一種在數控機床上進行零件加工的工藝方法。數控機床相對于傳統的普通機床在操作上有著本質的區別，前者主要依靠計算機數字控制（Computerized Numerical Control，簡稱CNC）來操作機床進行自動加工，后者則是以手動的方式來進行加工，而且CNC加工還具有高精度、高效率、自動化程度高、能夠加工復雜零件的特點[1]。所以對于一些精度要求比較高的曲面零件就需要使用數控加工技術才能完成加工，一般流程是由技術人員用數控加工的編程軟件對該零件的3D模型進行刀路的編制，然后再將模擬仿真并加以修改后的合格刀路程序傳輸到數控機床進行自動加工。文章將以常用的數控加工編程軟件MasterCAM為例，比較曲面加工中的不同方法，探討其加工特點與應用。

1 MasterCAM軟件簡介

MasterCAM軟件是美國CNC Software Inc.公司開發的CAD/CAM軟件，它包含了二維繪圖、三維實體造型、曲面設計、數控編程、刀路模擬等多種功能，提供了設計與加工的理想環境，被很多中小企業廣泛采用。其中數控編程的Mill模塊中，對于曲面零件的銑削加工部分，提供了平行銑削、流線加工、等高外形、環繞等距等多種曲面加工的刀具路徑方法[2]。

2 曲面加工方法的比較

2.1 平行銑削加工

對于要加工如圖1-a圖所示的曲面零件，一般可以規劃加工的工藝路線為：整體開粗——半精加工——曲面精加工——局部清角加工，其中我們將重點探討曲面精加工部分的刀具路徑[3][4]。在Maste

rCAM X3的軟件中，所有的曲面精加工命令都可以在菜單欄“刀具路徑”——“曲面精加工”彈出的二級菜單中找到。

2.1.1 刀具及加工參數的設置。啟動加工命令“刀具路徑”——“曲面精加工”——“精加工平行銑削”，在繪圖區選擇加工對象，并設置干涉曲面、邊界范圍——在彈出的“曲面精加工平行銑削”對話框中，分別設置本例的刀具為D10球刀，進給率為500mm/min，下刀速率為600mm/min，提刀速率2000mm/min，主軸轉速為3200r/min，加工面預留量為0。另外，平行銑削參數設為最大切削間距0.2，加工角度為0度。

2.1.2 模擬仿真的加工結果分析。如圖1中的（b）圖所示，可以看出“平行銑削”的刀路只能沿著某一特定的角度進行走刀，通過調整切削間距參數來控制刀路的加工細膩程度。而對于圖1（a）圖中的曲面零件，由于該零件整體外形為彎曲的半圓形結構，所以當平行銑削的刀路來到彎角處時，就出現了無法切削的情況，如圖1（b）圖的箭頭處所示。所以“平行銑削”的方法適合于加工比較平緩的淺平面或曲面，而且在這四種曲面加工方法中加工時間是最少的，但對于有交叉的陡斜面，則容易出現無法切削的情況。

2.2 流線加工

2.2.1 刀具及加工參數的設置。仍然以圖1的（a）圖曲面零件為例，啟動“刀具路徑”——“曲面精加工”——“精加工流線加工”，在繪圖區選擇加工對象，并設置干涉曲面、流線方向等參數——在彈出的“曲面精加工流線”對話框中，刀具及加工參數部分與2.1一致。另外，流線加工參數設為距離0.3。

2.2.2 模擬仿真的加工結果分析。如圖2中的（a）圖所示，可以看出使用“流線加工”的刀路，加工出該曲面零件的表面非常光滑，加工效率也很高，刀路沿著曲面的流線來回運動（如圖2（a）圖的箭頭所示），特別適合于這種流線曲面的加工。

2.3 等高外形加工

2.3.1 刀具及加工參數的設置。繼續以圖1的（a）圖曲面零件為例，啟動“刀具路徑”——“曲面精加工”——“精加工等高外形”，在繪圖區選擇加工對象，并設置干涉曲面、邊界范圍等參數——在彈出的“曲面精加工等高外形”對話框中，刀具及加工參數部分與2.1一致。另外，等高外形加工參數設為Z軸最大進給量0.2。

2.3.2 模擬仿真的加工結果分析。如圖2中的（b）圖所示，由于“等高外形”的刀路是以Z軸等距分層進給的方式來下刀，當加工對象為半圓曲面形狀時，其頂部曲面越來越淺，加工效果也越來越粗糙；而越往下，曲面越來越陡，其加工效果卻越來越光滑。所以“等高外形”的刀路只適合加工陡斜面的零件，而不適合用于平坦的曲面零件。

2.4 環繞等距加工

2.4.1 刀具及加工參數的設置。繼續以圖1的（a）圖曲面零件為例，啟動“刀具路徑”——“曲面精加工”——“精加工環繞等距加工”，在繪圖區選擇加工對象，并設置干涉曲面、邊界范圍等參數——在彈出的“曲面精加工環繞等距”對話框中，刀具及加工參數部分與2.1一致。另外，等高外形加工參數設為最大切削間距0.2。

2.4.2 模擬仿真的加工結果分析。如圖2中的c圖所示，“環繞等距”的刀路是以沿著三維曲面表面等步距的方式生成環繞中心的刀路，可以保證刀具在曲面上每個位置走的步距都一致。所以對于大多數的曲面零件都可以考慮“等距環繞”的刀路，不過如果有曲面相交變化太大的地方，則會出現過切或無法切削的現象。

3 結束語

在數控加工中采用不同的加工方法會對零件的加工效率和加工質量產生直接的影響，通過對一些曲面加工方法分別進行比較，讓工程技術人員在使用MasterCAM軟件進行數控編程時，能夠針對特定的加工對象來選擇合理的曲面加工刀具路徑，綜合考慮其優缺點，從而選擇最優的加工方法。

參考文獻

[1]（德）約瑟夫·迪林格.機械制造工程基礎[M].楊祖群譯，湖南：湖南科學技術出版社，2013：507-510.

[2]陳銀清，鄭澤鈿.基于MasterCAM自由曲面加工刀具路徑優化[J].現代制造工程，2014（5）：46-51.

[3]沈建峰，韓鴻鸞.MasterCAMX3數控造型與加工[M].北京：中國電力出版社，2010：225.

[4]繆德建.CAM中曲面加工方法的選擇[J].機械設計與制造，2001（5）：16-17.

作者簡介：張偉雄（1986-），男，廣東梅州人，教師，在讀碩士，主要研究方向：機械工程、模具CAD/CAM。