箱體類零件NC加工工藝設計與仿真

段航波， 邱海飛

（西京學院機械工程學院， 陜西 西安 710123）

引言

箱體是機械裝備中常用的支撐基礎部件[1]。由于形狀復雜、規格多樣，使得箱體類零件的設計制造不僅難度大且過程冗長，不利于箱體類零件的快速研發和批量生產。本文探索和驗證了箱體類零件設計制造的數字化實現流程，為CAD/CAM技術在機械產品研發中的應用提供了借鑒。

1 基于特征的CAD建模

箱體類零件的結構及功能大多相似，主要被用來作為傳動零部件的支撐基座[2]。利用CAXA平臺的特征建模（Feature Modeling）技術逐層創建該箱體零件三維CAD模型。首先通過拉伸特征建立箱體主體及凸緣結構，然后利用抽殼特征生成箱體空腔，在此基礎上完成打孔、倒角及筋特征的創建。

如圖1所示，此建模為在CAXA環境下設計的某減速器上箱體CAD模型，由于軸類零件、齒輪及軸承等均安裝于箱體內腔，因此該箱體在CAD建模過程中設計了許多供安裝使用的緊固件聯接孔和定位銷孔。

由于箱體為空腔結構，且箱壁通常較薄，考慮到傳動零部件與箱體結構之間的承載情況，要求箱體結構具有足夠的剛度與強度[3]，所以需要在箱體壁不同位置增設加強筋。

圖1 箱體三維CAD建模

相對于以往的CAD實體建模方法，特征建模技術在模型的結構層級、數據結構及參數化等方面更為先進，使得用戶能夠方便快捷地對特征化CAD模型進行編輯與修改，有效提高了三維CAD實體模型的設計效率及質量。

2 CAM加工與仿真

2.1 CAM技術的優勢

現代CAM技術的快速發展，有力推動了機械零部件的數字化、智能化制造進程。相對于傳統數控加工模式，以CAM技術為核心的自動化NC加工具有無可比擬的巨大優勢[4]。

基于CAM的零件NC加工，從工藝處理、CAD造型、機床設置、刀具軌跡生成、模擬仿真、程序編譯、調試到最后的機床加工，整個過程都在計算機環境下完成，數控加工的信息化、智能化程度明顯提升。特別是在數控程序編譯方面，較之以往的人工編程，不僅有效提高了編程效率和準確性，而且避免了繁瑣的人工程序調試，減輕了數控加工人員的工作強度。

2.2 工藝分析與設計

箱體類零件加工一般多采用鑄造工藝，制造過程涉及冗長的模具設計周期和昂貴的開模成本[5]?，F代主流CAM系統都將CAPP功能以插件形式集成于同一平臺，這種模式大大簡化了機械零件加工工藝的分析過程和設計難度。

CAXA制造工程師是國產CAM軟件的典型代表，具有多種常見的數控加工方式，如平面區域加工、等高線加工、平面輪廓加工、曲面輪廓加工、掃描線加工及筆式清根加工等，這些加工方式功能強大、操作方便，可以滿足不同結構零件的數控加工工藝分析與設計要求。

根據箱體結構特征及外形尺寸定義加工毛坯，如圖2所示，毛坯形狀為六面體結構，其尺寸為574 mm×265 mm×168 mm（長×寬×高）。由于該箱體為帶有凸緣的曲面空腔結構，故可采用等高線銑削方式來去除毛坯多余材料[6]，如圖3所示等高線銑削加工工藝設計對話框，主要工藝分析和定義內容包括加工參數、區域參數、連接參數、坐標系、切削用量及刀具參數等。

圖2 定義加工毛坯

圖3 定義等高線加工

通過CAXA系統能夠方便快捷地實現復雜箱體類零件的工藝分析與設計，如表1所示，為該箱體加工的主要工藝設計內容，其加工工藝流程為：定義毛坯→工藝參數設置→粗加工→精加工→筆式清根加工→刀具軌跡仿真→生成和校驗G代碼→實體加工仿真。這種基于計算機軟件平臺的全數字化工藝設計過程，不僅大幅提升了箱體加工過程的數字化、信息化及智能化水平，而且有效提高了箱體類零件的設計質量和制造效率。

表1 箱體銑削加工工藝

3 NC仿真結果分析

運行NC加工仿真，計算箱體加工的刀具軌跡，如圖4所示，為等高線粗、精加工完整刀具軌跡。箱體刀具軌跡計算完成后，可在仿真界面中實時查看和觀測加工過程中的走刀路線，檢驗有無干涉、碰撞等現象。此外，在CAXA制造工程師環境下還可以進行材料去除過程仿真，如圖5所示，該過程形象地模擬和展示了箱體實際加工狀態，為加工質量的判斷、評估提供了可靠依據。

CAXA系統后置處理模塊可根據箱體刀具軌跡自動生成的G代碼程序，為確保箱體實際加工過程的順利運行，需要對G代碼進行校驗，如下頁圖6所示，在G代碼校核對話框中選擇實際所用數控系統，如 fagor、fanuc、huazhong 及 siemens等，然后導入代碼文件，以“軌跡反讀”的方式校核G代碼程序。

圖4 刀具軌跡仿真

圖5 材料去除過程仿真

圖6 校核G代碼

根據箱體工藝設計要求，選擇fanuc數控系統進行G代碼校核，如果校核過程出現問題，需要重新編輯、修改加工工藝參數或箱體CAD模型。如果G代碼校核通過，則只需根據實際數控系統指令格式要求，對G代碼稍作調整和修改，然后直接輸入至數控機床進行實物加工。通過校驗G代碼的可行性和準確性，為實際工況下數控機床的順利運行提供了可靠保障，有利于機械零件的高速、高精化加工。

4 結語

本文在箱體零件特征化CAD建?；A上，利用CAXA制造工程師軟件對箱體零件進行NC加工仿真分析，在計算機環境下完成了工藝設計、自動化編程、軌跡仿真及G代碼校核等一系列工序任務，實現了基于CAD/CAM的箱體類零件一體化設計，為數字化設計與制造技術的實踐應用提供了技術參考。

[1]孫傳祝，董煥俊，張勇.遠紅外蔬菜脫水機箱體結構的改進設計[J].食品與機械，2008，24（2）：29-31.

[2]王森林.箱體類零件的加工工藝研究[J].機械工程師，2014（3）：252-253.

[3]林宗德.數控加工箱體零件的工藝分析與設計[J].機電產品開發與創新，2015，28（5）：133-135.

[4]張秀萍，馬春林.基于MasterCAM復雜零件的數控加工[J].工具技術，2014，48（6）：48-50.

[5]張媛，冷崇杰，王晶.行星齒輪減速器內齒圈模態分析[J].食品與機械，2010（1）：110-112.

[6]龍創平.淺析箱體類零件加工工藝[J].裝備制造技術，2012（11）：82-84.