Solidworks+Mastercam實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模與數(shù)控加工

劉偉洪，劉海波

（山東理工大學(xué) 精密模具省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淄博 255049）

0 引言

工程中有很多零件是由復(fù)雜曲面構(gòu)成的回轉(zhuǎn)體，如電廠、核反應(yīng)堆和石油化工等工業(yè)生產(chǎn)中的穩(wěn)壓器噴霧管、余熱排出管、安全注射管等容器接管[1]，這類零件嘴部幾何形狀不連續(xù)，過渡段回轉(zhuǎn)曲面形狀扭曲，造型復(fù)雜，不易加工。本文將以安全注射管接嘴的建模和數(shù)控加工為例，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，利用具有強(qiáng)大建模功能、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)的Solidworks軟件和具有優(yōu)良的性價(jià)比、靈活的操作方式、穩(wěn)定的運(yùn)行效果、易學(xué)易用的操作方法等特點(diǎn)，以其強(qiáng)大的加工功能聞名于世，是目前我國(guó)加工領(lǐng)域應(yīng)用最多的軟件之一的Mastercam軟件[2]詳細(xì)敘述復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模與數(shù)控銑削。本文采用的數(shù)控銑削加工工藝異于常規(guī)，摒棄了回轉(zhuǎn)體零件必須在四軸及四軸以上的數(shù)控銑床或加工中心上加工的做法而選取在粗加工階段在三軸銑床上逐段銑削的加工方案，提高了加工效率，為完成此類零件的數(shù)控加工提供了一種方法和依據(jù)。圖1為本文實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模與數(shù)控加工的流程圖。

1 復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模

1.1 草圖的建立

圖1 復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模與數(shù)控加工流程圖

構(gòu)建合理的草圖對(duì)于模型的整體設(shè)計(jì)非常重要。根據(jù)一般零部件的構(gòu)造規(guī)則，可以發(fā)現(xiàn)有些零件在某個(gè)方向上的截面是保持固定不變的。這種平面屬性就是建立草圖的基本出發(fā)點(diǎn)。Solidworks中特征都是基于草圖而建立的[3]。如圖2為某核電廠開發(fā)的容器接管嘴部分視圖，分析圖示可知，此零件總體結(jié)構(gòu)是規(guī)則對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體特征，但是分布在垂直方向上的兩個(gè)截面是有尺寸和形狀差異的。根據(jù)這一特點(diǎn)，本文決定在Solidworks內(nèi)選取兩個(gè)基準(zhǔn)面分別建立兩個(gè)截面草圖，如圖3所示。繪圖時(shí)必須注意：1）保證兩個(gè)草圖各自依附的繪制平面是垂直的；2）體現(xiàn)草圖基本形狀和尺寸間的差異；3）進(jìn)行尺寸約束和形狀約束，從而保證草圖的完全定義，以便后續(xù)能夠有力的控制草圖，完成精確的機(jī)械設(shè)計(jì)。

1.2 轉(zhuǎn)換實(shí)體引用

在Solidworks中有一個(gè)很實(shí)用的草圖編輯工具——轉(zhuǎn)換實(shí)體引用，功能是通過將邊線、環(huán)、面、曲線、外部草圖輪廓線、一組邊線或一組草圖曲線投影到草圖基準(zhǔn)面上，可以在草圖上生成一個(gè)或多個(gè)草圖實(shí)體[3]。簡(jiǎn)單解釋就是可以將先前完成的草圖完整“COPY”到現(xiàn)有的草圖中。本文將有效地利用這一工具實(shí)現(xiàn)圖3的復(fù)制，從而建立與之相對(duì)稱的基準(zhǔn)中的草圖。具體操作步驟為：在打開的草圖中，選中需要復(fù)制的輪廓線，選擇【工具】→【草圖繪制工具】→【轉(zhuǎn)換實(shí)體引用】命令。圖4為操作后的效果圖。

圖2 容器接管嘴部分視圖

圖3 兩個(gè)截面草圖

圖4 使用“轉(zhuǎn)換實(shí)體引用”命令后完成的草圖

1.3 采用放樣特征完成復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件建立

放樣是一般曲面造型時(shí)最主要的方法之一，其應(yīng)用非常靈活，造型漂亮。放樣特征的要素主要有輪廓、起始/結(jié)束約束、引導(dǎo)線、中心線參數(shù)。根據(jù)放樣需要的條件和本零件的形狀尺寸要求，本文建立的引導(dǎo)線應(yīng)該是與四個(gè)草圖垂直的底面整園，然后選用放樣命令完成模型的建立。本文放樣特征操作的關(guān)鍵步驟是必須選取選項(xiàng)中的“閉合放樣”，這樣才能保證模型的閉合。圖5(a)和圖5(b)分別為未選擇“閉合放樣”和選擇“閉合放樣”的比較圖。

圖5 完成模型比較圖

2 復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的數(shù)控銑削

近年來，復(fù)雜曲面零件的加工技術(shù)由于多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心的應(yīng)用得到了突破。國(guó)外多軸數(shù)控切削技術(shù)發(fā)展很快，在我國(guó)也已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[4]。對(duì)于曲面的加工似乎水到渠成，但實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀卻困難得多。

例如，按照常規(guī)，復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的加工是必須且只能在四軸及四軸以上的數(shù)控銑床或加工中心上加工才能考慮完成，而且因?yàn)榱慵强臻g自由曲面，所選刀具也僅能限于球刀。本文開始也是采用此種方法進(jìn)行試制。試制后發(fā)現(xiàn)結(jié)果不容樂觀。復(fù)雜曲面的加工雖然是按照零件設(shè)計(jì)中所描述的結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行的，但由于加工過程中復(fù)雜曲面的特征表面的形成過程非常復(fù)雜，往往會(huì)出現(xiàn)大量的空刀現(xiàn)象。即進(jìn)行粗加工階段時(shí)，由于零件形狀不規(guī)則，尺寸變化大，加工接觸面較少，加工初期大量時(shí)間用于定位，有時(shí)甚至旋轉(zhuǎn)一周只是進(jìn)行了點(diǎn)的加工。無論采取何種加工走刀軌跡方式，都避免不了空刀時(shí)間太多的問題，導(dǎo)致的最終結(jié)果就是耗時(shí)太長(zhǎng)，效率過低。僅粗加工就約需幾十個(gè)小時(shí)，不能保證任務(wù)按期完成。

生產(chǎn)效率過低，多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心價(jià)格昂貴，能夠適應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀、加工精度、加工效率和耐用度等要求的復(fù)雜曲面加工刀具的選擇等等問題對(duì)我國(guó)的加工企業(yè)尤其是中小企業(yè)來說實(shí)在是不能承受之重。僅僅生產(chǎn)設(shè)備一項(xiàng)就制約著企業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前中小企業(yè)設(shè)備以三軸數(shù)控銑床居多，4軸及以上機(jī)床不占多數(shù)，加工零件完全采用多軸機(jī)床進(jìn)行銑削，不具備現(xiàn)實(shí)條件。經(jīng)過分析研究，本文決定大膽改變傳統(tǒng)加工方法，即在粗加工階段放棄4軸聯(lián)動(dòng)加工，采用固定裝夾零件、端刀代替球刀只進(jìn)行X、Y、Z三軸進(jìn)行銑削、精加工階段再采用四軸回轉(zhuǎn)加工的加工方案。實(shí)踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)效果顯著，效率大大提高。下文將做詳細(xì)介紹。

2.1 Mastercam導(dǎo)入Solidworks建立的CAD模型

Mastercam軟件具有非常強(qiáng)大的文件轉(zhuǎn)換功能[2]。本文決定充分利用Mastercam強(qiáng)大的加工優(yōu)勢(shì)，結(jié)合Solidworks建立的零件模型實(shí)現(xiàn)零件的數(shù)控編程。

將Solidworks建立的CAD模型保存時(shí)選擇IGES格式，以英文名稱命名，如：jiezui. IGE，存放在英文名稱的文件夾中（文件夾名稱和路徑用戶可自定義）；

運(yùn)行Mastercam軟件，選擇【File】/【Open】，彈出對(duì)話框，在文件類型選項(xiàng)中選擇IGES格式即可找到j(luò)iezui. IGE模型文件，單擊對(duì)話框中的打開按鈕，文件即可導(dǎo)入[5]。

2.2 Mastercam實(shí)現(xiàn)粗加工階段程序編制

本文加工時(shí)將零件分為兩部分進(jìn)行逐段銑削。即先加工輪廓的1/2（180度的輪廓面），此段加工完成后再利用分度頭的分度功能反轉(zhuǎn)零件加工剩余部分。逐段銑削的方法只應(yīng)用于粗加工階段（若有必要，半精加工階段也可采取此種方法）。銑削曲面時(shí)，環(huán)切法是常用方法之一，環(huán)繞式的加工方式是以繞著輪廓的方式清除素材，并逐漸加大輪廓，直到無法放大為止，生成的刀路軌跡在同一區(qū)域內(nèi)不抬刀，如此可減少提刀，提升銑削效率，是粗加工或半精加工時(shí)比較好的選擇[6]。根據(jù)接嘴類零件加工部位的扭曲形狀，本文決定選用環(huán)切法的走刀路線作為編程路線。編程時(shí)選取相應(yīng)的部位編程即可。另外，這種銑削方式可以用端刀代替球刀進(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，僅以球刀作為加工空間自由曲面的工具已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足切削加工的需要，尤其在粗加工大量去除材料的過程當(dāng)中，球刀與端刀相比，加工效率要低很多[7]。如圖6(a)所示為部分粗加工環(huán)繞式的走刀路線模擬圖，圖6(b)為粗加工階段實(shí)際效果顯示。

圖6 走刀路徑模擬和實(shí)際加工效果圖

將零件化整為零進(jìn)行逐段銑削的優(yōu)點(diǎn)在于：1）因?yàn)楣ぜ枪潭ǘ皇切D(zhuǎn)的，可以稍微加大切削量和提高加工速度；2）此加工工藝將零件不規(guī)則部位化零為整，每次加工區(qū)域變形不大，從而減少了定位時(shí)間，避免了多余空刀，縮短了生產(chǎn)周期；3）這種粗加工方法完全可以在三軸機(jī)床上進(jìn)行，避免必須使用四軸機(jī)床才能完成此類零件加工的局限，因而以三軸銑床為主的中小型企業(yè)完全可以參與此類零件的加工；4）在銑削過程中用端刀代替球刀進(jìn)行生產(chǎn)，提高了加工效率。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，改變后的粗加工生產(chǎn)時(shí)間只占原生產(chǎn)周期的四分之一。

2.3 Mastercam軟件實(shí)現(xiàn)精加工階段程序編制

零件完成粗加工和半精加工后，再將零件裝夾在四軸機(jī)床或加工中心上進(jìn)行精加工。精加工切削余量小，進(jìn)給速度快，走刀路線連續(xù)不用反復(fù)定位。最大限度的發(fā)揮了多軸機(jī)床的優(yōu)勢(shì)。圖7為四軸機(jī)床進(jìn)行精加工時(shí)的實(shí)際效果顯示圖。

圖7 精加工走刀模擬和實(shí)際效果圖

3 結(jié)束語

隨著高新技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜曲面的應(yīng)用越來越廣泛，復(fù)雜曲面的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，又取決于復(fù)雜曲面的設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)。本文結(jié)合一個(gè)復(fù)雜曲面構(gòu)成的回轉(zhuǎn)體零件的具體生產(chǎn)加工過程，運(yùn)用中端CAD軟件Solidworks+Mastercam實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面回轉(zhuǎn)體零件的建模與數(shù)控銑削，提出了一種在三軸銑床上進(jìn)行逐段銑削的加工方法，提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，并為設(shè)備和資金不占優(yōu)勢(shì)的中小企業(yè)能夠完成大型復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工提供了方法和依據(jù)。

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