基于MasterCAM對零件造型、加工的分析

鄭澤林

摘 要：隨著技工教育的不斷發展，機床的不斷升級，零件的結構越來越復雜化，零件造型、加工應用也越來越廣泛，MasterCAM是加工中一種常見的仿真軟件。CAD/CAM得到廣泛運用，MasterCAM對零件進行造型設計，并對零件進行編程加工，日趨重要。本文將通過加工實例，講述曲面造型的方法，分析薄壁和曲面加工的難點和解決的方法。

關鍵詞：零件造型設計；加工編程；曲面造型；薄壁加工

1前言

隨著技術經濟的快速發展，CAD/CAM得到廣泛運用，從根本上改變了傳統的設計、生產模式。MasterCAM提供了從產品的幾何造型設計到加工制造過程中各項功能。它利用多種方式對零件進行造型設計，并且通過各種方法對零件的加工進行自動編程，通過后置處理快速生成數控代碼，完成零件的設計到生產加工的過程。進行零件造型設計，能保證零件在后續加工編程中準確生成加工程序，實現零件的正確造型。而對零件加工過程中如何提高加工效率，要求在生成加工程序時，要對刀具路徑進行合理的安排，才會使零件完整、有序的加工出來。本文主要研究利用MasterCAM平臺提供的功能，對零件造型設計和零件加工進行分析。

2工件分析

如圖1、2、3分別是零件的正面俯視圖、局部剖左視圖和反面俯視圖。

由所示圖中可以得知：該零件外形為一個100x100mm并帶有圓角為R20mm的正方形，在正面圖形中，有一個高為5mm，半徑為R45mm的凸臺，凸臺中心處還有一處半徑為R14.5mm深為10mm的圓槽，凸臺上還有一高度為5mm，厚度為1mm的類似風扇葉片的薄壁圖樣，而反面造型中是一個復雜曲面造型，設置了橫向引線在通過縱向導引線生成的一個復雜曲面。

3零件的造型設計

對于正面圖形而言，通過對二維圖形的有序組合就可以得到正面圖形的外形設計，如圖4所示。但對反面圖形來說，要設計一個復雜曲面，在設計的時候就有多種選擇，設計不好，曲面將不能生成，或是生成了將會產生縫隙，不能將曲面融合起來，不能達到設計要求。

在設計三維復雜曲面的時候，MasterCAM平臺提供了六種曲面造型工具，通過對三維線框的分析，應該選擇昆氏曲面造型工具。昆氏曲面造型簡單的方法就是通過數行跟列來確定曲面的經緯線，根據這一思路，我們根據通過昆氏曲面進行造型，造型圖如下圖5所示。

在利用昆氏曲面造型的時候，很多時候都會出現這種問題。產生這種問題的原因是因為在構造昆氏曲面的時候，要選擇的縱向邊界比較多，如果不能保證所選的方向都是一致的話就容易產生圖5中所示的情況，需要解決這個問題有兩種方法：第一就是在選擇方向的時候，一定要保證所有邊界橫向、縱向各自的方向一致，如圖6所示。

這一種方法中，對串聯方向比較難保證，因為在選擇的過程中對方向的控制容易出現分叉點，有時候即使是方向保證好了，也不一定能將這一曲面完整的做出來，這是因為有時候縱向截面線的形狀相差太遠，在過渡的時候沒有平滑過來，就像圖6中的4條截面線，右端兩條是半圓弧，左邊兩條是跨度比較大的圓弧組合曲線，在連接的時候，很容易就出現像圖5所示的過渡不平滑和與線框不連接的問題。所以這一種方法在做昆氏曲面時個人不贊成使用。

第二種方法就是將昆氏曲面的行與列簡化成一行一列的形式。這樣做的好處是可以將復雜的三維線框簡化掉，同時也可以避免在串聯時對方向的選擇問題，因為一行一列的話，對行和列就只有一個方向了，并且行列邊界就是曲面的范圍，中間也沒有面上導引線，所以在曲面生成時就不會產生邊界與線框脫離的問題。一行一列的昆氏曲面在選擇曲面融合的方式時也較為簡單，只要選擇了，曲面上都會很平滑的過渡，不會產生明顯的過渡痕。這一方法比較麻煩，但對昆氏曲面生成的效果會好點，并且在截面線越多的情況下，用最簡單的方法做，效果會更好些。用這種方法生成的昆氏曲面如下圖7所示。

總之，在對曲面進行設計的時候，都要對曲面進行分析，如果曲面設計時得不到想要的效果或者產生不正確曲面，對后面零件的加工將帶來負面的影響。

4零件的編程加工

零件造型設計處理好了，接下來要對零件進行編程加工，跟造型設計一樣，對零件進行編程加工時，也要對零件造型進行分析，因為任何一個零件都存在著加工難點，處理好這些問題才能實現加工的最優化處理。就這一零件而言，存在兩處難點，其一就是正面類風扇葉片的陣列薄壁加工，其二就是反面的三維曲面加工。

就正面六片類扇葉零件而言，在加工時去除材料多為90%以上，屬于薄壁零件的加工。薄壁零件一直都是制造業中比較棘手的問題，該類零件壁薄，剛性差，裝夾難，加工時易變形，使得工件的形位誤差增大。在加工過程中需要解決的問題是減少變形，保證精度，盡量提高其加工效率。因此，對薄壁零件加工就必須充分地考慮工藝問題對零件加工質量的影響，對工件裝夾、工序安排、走刀路線、切削用量參數、刀具選用等多方面進行優化。

該處零件存在壁薄、較深、剛性差等特點，加工中主要要克服切削力、切削熱所產生的應力變形。考慮到如何減少切削力的問題，這里采用減少吃刀量的方法，使工件所受阻力減少來降低切削力對薄壁處的應力變形。其中可以使用冷卻液防止切削過程中產生的切削熱對薄壁的影響。但為了提高加工效率，也可以采用高速切削的方法，吃刀量較小，在加工過程中可以適當的提高進給，這樣做的好處不但可以提高效率，縮短時間，另外的作用是，在高速切削下，切削所產生的熱量還沒有來得及傳導到工件上就已經隨切屑排除。在對薄壁處進行精加工時，采用同樣的方法，也是利用提高切削速度的方法，但精加工時，余量只有0.2mm左右，所以可以適當的提高精加工時的吃刀量深度，提高效率。

在反面圖形中，是一處不規則曲面的加工，在加工曲面的過程中，主要的加工問題就是解決好曲面與平面相交處的加工問題，這里主要要考慮的是利用好銑刀，提高表面質量，同時也要提高加工效率。

對不規則曲面進行精加工時，都會選擇球刀對曲面進行精加工，利用球刀進行清角處理的時候，平面會阻礙球刀的下深（如圖8），使球刀不能對曲面進行精加工，產生一個加工死角，也就是圖示中的黑色部分，使工件精度達不到要求。

要解決這個問題，要采用平底銑刀進行曲面的精加工，平底銑刀加工的時候，利用直線逼近的方法對曲面進行加工（如圖9），但逼近直線步進值太大的話，一樣會影響加工精度，所以必須控制平底銑刀的每次下深的吃刀量值，吃刀量值越小的話，表面粗糙度將越高，但如果不斷的控制吃刀量的話，將會降低加工效率，其次，當吃刀量達到一定程度的時候，對表面粗糙度的影響就沒有那么明顯了，所以在保證要求的粗糙度情況下，加大吃刀量，提高加工效率，實現加工過程的最優化處理。

出于這種考慮，對曲面進行加工的時候，就先對曲面進行粗加工，加工過后直接利用平底銑刀對較低位置進行精加工，接著球刀對整體曲面進行精加工，對整體曲面進行精加工，都要根據球刀半徑來限定曲面的加工深度，限定了深度不僅可以限定加工區域，也能利用刀具對曲面的精加工，既提高效率，也能提高表面質量。

利用上述的辦法對曲面加工，得到圖10的曲面加工效果圖。

在效果圖上，球刀與平底刀的接到處沒有明顯的接刀痕，但實際加工效果中，在這一處接刀的地方會有一點點痕跡，但對曲面的表面粗糙度沒有很大的影響，可以滿足零件的粗糙度要求。

5結語

在利用MasterCAM對零件進行造型設計，加工的時候，要做到充分分析零件的構造，合理利用MasterCAM平臺提供的功能，才能準確無誤的對零件造型進行設計，快速生成零件造型。進行零件加工編程的時候，要分析好零件加工過程將遇到的加工瓶頸，找出零件加工的難點，利用合理的編程方法解決這些難點，才能加工出要求的零件。

本文對零件的造型設計、加工編程依照上述圖例進行問題分析，提出了自己的見解，在實際加工中也會遇到更多的問題，需要不斷地積累經驗，從而提高加工質量和生產效率。

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