三維環境下的機加工工藝設計實施及應用

李 淼

(唐山為民職業環境檢測有限責任公司，河北 唐山 063000)

“工業4.0”時代對機加工產品的尺寸精度、制造速度等各方面提出了更高要求。基于三維環境的機加工技術，將原來的二維平面圖形轉變成了三維立體模型，使零件設計方案達到了“所見即所得”的效果，兼顧了效率、精度等方面的要求。應用三維機加工技術時，加工工藝設計是一項核心內容，只有明確設計流程，熟練掌握每個環節的技術要點，才能突出三維機加工技術的優勢。

1 三維環境下機加工工藝設計的優勢

相比于二維機加工工藝設計，三維環境下的機加工工藝設計表現出了以下優勢：工藝流程更加直觀。在流程導圖的指引下，整個工藝流程直觀地呈現在設計人員面前，每完成一個設計環節，在導圖的幫助下會自動提示下一環節的設計內容，為工藝設計起到了參考和輔助作用，對于設計效率的提升有積極幫助。立體化呈現，所見即所得。將零件的尺寸等基本參數輸入到三維軟件中，利用該軟件把海量的點位坐標轉化成三維模型，設計人員能夠直觀了解零件的加工信息，靈活地完成參數調整、尺寸修改，直到獲得理想的零件模型。數據管理更便捷。三維軟件對零件相關信息進行自動保存，防止數據丟失，機加工的工藝設計、模型參數等能夠以標準文件的方式輸出，方便讀取和利用。

2 三維環境下機加工工藝設計的實施路徑

2.1 數據接收設計

設計人員需要將待加工零件的各項數據輸入到三維建模軟件中，使計算機明確加工要求。這些數據包括幾何信息(如尺寸、形狀等)、材料信息、技術信息、管理信息等。所有數據通過USB接口輸入，三維建模軟件在接收這些數據后，將其存儲到數據庫中，生成一個獨立的文件夾，為下一步數據的調用、存儲創設便利條件。

2.2 生成毛坯模型

設計人員通過登錄口令的驗證后，進入三維機加工工藝設計系統。調取數據庫中的數據資料，得到三維零件模型。從工具欄中選擇“毛坯設計”，在新彈出的對話框中選擇“毛坯材料”，此時可以得到尚未進行任何工藝處理、由原始數據直接得到的毛坯模型。將毛坯模型上多余的特征形狀去除，可選擇的方法有特征疊加法和特征逐漸減法。將毛坯材料的邊界特征、內陷特征、螺紋特征等全部去除，為下一步進行高精度的模型設計和零件加工奠定基礎。

2.3 定義工序模型

在正式進行模型定義前，應調用工具欄的“特征識別”工具，對毛坯模型的特征去除效果進行檢驗。如果識別出該毛坯模型還存在一些幾何特征(如角度、余量)、加工特征等，要做進一步處理，直到毛坯模型不存在任何特征后，可以生成工序模型。為了達到三維模型“所見即所得”的效果，要求將每一道工序模型進行重新定義、單獨處理，并進行可視化檢驗，令工藝源模型與工序模型在各個方面保持一致。完成工序模型定義后，再進行下一環節。

2.4 確定工藝特征

工藝特征來源于工藝信息模型的數據組織，決定工藝特征的因素包括：其一，設計者的零件自定義。基于零件的使用需求和功能特性，設計者通常會對零件的某些方面(如材料、形狀)有特殊要求，需要通過自定義的方式來實現。其二，工藝規程。涵蓋了工藝要求、資源使用、工序資源等內容。工藝特征應盡可能全面地涵蓋三維模型的所有特征點，這樣才能保證設計出來的三維模型與實體零件之間保持高度的相似性，以滿足實體零件對于各種使用功能的基本要求。在確定工藝特征后，要分布步驟生成工序模型，常用的工序模型生成方法有圖形拼湊法、特征參數法等。以特征參數法為例，核心部分是CAD/CAPP信息集成系統，從加工特征庫、工藝知識庫中提取關鍵信息，經過CAD系統處理后得到零件特征模型，將三維模型擴展到實體，得到工序模型。

2.5 數據信息傳遞

三維機加工工藝設計需要在模型建立過程中完成其工藝信息的表達，從而進行數據的傳遞。其表達工藝信息的過程，要注意信息的規范標識，采用統一標識和方法，完成后期的應用推廣和施工。信息可以以屬性方式隱含在三維模型中，這樣后續使用只需通過數據調用就可以完成信息獲取。設計者還可以嘗試將三維標注直接添加到三維模型的各個模塊上，后期想要了解三維模型的基本信息，只需要用鼠標點擊對應的模塊，即可在新彈出的詳情頁上完整展示工藝信息，這是數據信息傳遞的一種有效方法。工藝信息標注可以從屬性標注和功能標注中選擇其一。

2.6 完成工序設計

按照上述流程，依次完成了毛坯準備、工序設計、數據傳遞等步驟后，基本上完成了機加工工藝流程。利用已經生成的流程導圖，將工藝特征、工藝信息等與流程導圖相結合，在得到三維模型之后，將所有數據及工序一并輸出。工序設計環節，要通過仿真驗證的方式，對工序模型進行驗證，驗證流程包括特征識別、數控編程、仿真實驗、干涉檢查等。根據驗證結果，對工序模型做后置處理，得到最終的三維工藝模型。

2.7 發布工藝信息

將三維機加工工藝設計中生成的各類數據進行匯總，整理成表格，得到工藝輸出表單。繼續輸出工藝模型，如果模型的組成結構復雜、類型多樣，可將其轉化為模板并按照特征信息予以分類。發布工藝信息，作為零件加工制造的參考依據。

3 三維環境下機加工工藝設計的應用

利用工藝設計流程規劃，確定各種復雜的、高精密度的零件加工路線，以更快速度得到更高精度的產品。用于加工材料、制造設備的流程設計，如機床、刀具、夾具的生產規劃等，提高了工件的標準化程度。實現模型二次開發。在機加工工序設計完成后，所得三維模型及其配套數據會單獨保存到一個文件夾中，后期如果想要進行模型數據檢查或是在模型基礎上進行二次開發，可直接調用該文件夾中的數據。用于指導現場加工。將現場加工信息與機加工工藝設計方案對比，對控制加工誤差、保證加工精度有積極幫助。

4 結語

基于三維模型的機加工工藝設計發展前景廣闊。在進行精密零件設計時，要熟悉三維環境下整個機加工工藝設計流程，掌握其中的技術要點，保證工藝設計質量，滿足機加工的精度和效率要求。