基于Mastercam的復雜凹模零件加工

李國榮

（云浮技師學院，廣東 云浮527300）

0 引 言

當前CAD/CAM軟件已廣泛應用于我國的制造業中，CAD/CAM軟件的應用極大地提高了產品設計與編程加工的效率[1]。Mastercam是由美國CNC公司開發的基于PC平臺的集產品設計與數控編程加工于一體的CAD/CAM軟件，在機械加工行業應用非常廣泛并具有很強的影響力。Mastercam在CAM方面編程操作簡單，易上手，特別是強大高效的二維刀路及針對不同造型特點的三維刀路模組的運用得到了用戶的高度認可[2]。

1 零件分析

圖1所示為復雜凹模零件，毛坯尺寸為150 mm×90 mm×35 mm，加工材料為45鋼，表面粗糙度為Ra1.6 μm。該零件上表面為R150 mm的圓弧曲面，在R150 mm的圓弧曲面左右對稱各分布了一個φ10通孔，零件中心為四邊形花型腔，花型腔中心有拔模38°星形凸臺曲面，該曲面與花形腔底面采用R10倒圓弧曲面過渡，星形凸臺外形的四邊交會處為尖角曲面，拔模星形凸臺頂面有拔模30°且深2 mm的淺凹槽。綜合而言，該零件所要加工的曲面特征較多，曲面特征變化大，特別是拔模曲面和尖角曲面的加工，而且部分特征的加工精度和表面粗糙度要求較高。

2 加工策略

2.1 工藝分析

該零件曲面造型特征多，曲面不完整，加工難點主要有以下幾點：1）如何加工R150圓弧曲面上的兩個對稱通孔；2）如何生成連續的刀路，減少跳刀，保證零件的表面粗糙度和提高加工效率；3）如何避免星形凸臺的4個尖角在加工時產生的過切現象，以獲得良好的形狀特征；4）如何快速加工拔模30°的淺凹槽并保證表面質量。

圖1 復雜凹模零件

根據工藝分析結果，針對兩個曲面上的對稱通孔采用工序前移的辦法，避免加工時產生斷刀現象。結合Mastercam軟件刀路的生成特點對破損的曲面采用修補曲面的方法，以實現刀路的連續性和平滑性，實踐證明保持刀路沿原完整加工特征的全范圍加工能有效地避免尖角的加工效果。對拔模30°的淺凹槽曲面特征采用2D倒角加工的特殊處理方法，以保證加工質量。

2.2 工序前移

鉆孔加工工序通常都是安排在后期進行，該零件的兩通孔位于R150圓弧曲面上，如果安排在加工圓弧曲面工序之后，因進刀面不平整，加工時會因鉆頭受力不均而產生跑位甚至斷刀的現象，因此把通孔加工工序前移至加工R150圓弧曲面之前即可解決該問題。

2.3 構建輔助曲面

2.3.1 填補內孔

根據Mastercam刀路的生成特點，對于一些破損曲面的加工通常需進行修補來生成連續的刀路。該零件會因加工兩個對稱通孔而造成曲面的不完整，加之零件中間的花形腔特征也造成了比較大范圍的曲面破損，為實現粗加工快速去除余量的目的，以及考慮生成刀路的連續性，對Rl50的圓弧曲面及30°凹槽作了曲面修補處理策略。在Mastercam軟件的菜單欄上點選【繪圖】/【曲面】/【填補內孔】選項，點擊圓弧曲面，選擇【填補所有的內孔】，點擊30°凹槽頂面，修補完成后的效果如圖2（a）所示。經填補內孔處理后，有助于生成較好的刀具路徑，并能有效地減少了跳刀的次數，避免了刀具因頻繁地跳動而導致的機床抖動，最終影響加工質量。未修補曲面前生成的刀路如圖2（b）所示，修補曲面后生成的刀路如圖2（c）所示，修補曲面改善后的仿真加工效果圖如圖2（d）所示。

圖2 曲面修補處理策略

2.3.2 恢復破面

在加工38°斜度星形凸臺及過渡圓弧曲面時，傳統的加工策略是按照零件的特征直接采用精加工等高外形的加工刀路，生成的刀路效果如圖3所示，由圖可知，跳刀過多，該曲面的加工質量達不到精度要求，且容易造成4個尖角過切。

為解決刀路不連續問題，在建模時可在切割實體完成星形凸臺建模前生成曲面，從而實現破面的恢復，為與其他特征相區分，可將此特征保存在另一個獨立的圖層，以備加工時方便調取。具體操作如下：1）繪制四邊星形凸臺的半截面線框-實體旋轉；2）新建圖層后，通過菜單欄選擇【繪圖】/【曲面】/【由實體產生曲面】選項，點選星形凸臺切割前的兩個實體面，點【結束選擇】生成兩個待加工的曲面（如圖4（a））。對該部分曲面采用精加工等高外形的方式進行編程，生成了如圖4（b）所示的連續刀路。實踐證明加工時間大縮短了，在進給率同設為600 mm/min，下刀速率設為300 mm/min的情況下，加工時間由原來的23 min42 s縮短為15 min27 s。

圖3 傳統星形凸臺刀路效果

圖4 恢復曲面編程操作

在完成兩個曲面的加工后，對花型腔安排2D挖槽刀路即能有效地避免了4個尖角的過切現象，如圖5所示。

圖5 花型腔精加工

2.3.3 巧設倒角參數

該零件中30°斜度淺凹槽特征在加工時不容易處理，因屬于盲孔加工，如果使用圓鼻刀生成曲面加工刀具路徑達不到清角的目的。若使用平底刀作曲面加工，雖能起到良好的清角效果，但拔模斜面的表面質量并不理想，容易出現臺階紋。為得到良好的表面質量及良好的清角效果，可選用30°錐角度的倒角刀去處理，根據圖形分析結果準確地設置倒角寬度為1.51 mm，尖部補償設置為0 mm,如圖6（a）所示。實踐加工證明，可得到良好的加工質量，如圖6（b）所示。

圖6 倒角加工

綜上所述，實際加工中，在充分考慮刀具集中原則、粗精加工分開的原則下，采用了表1所示的加工工藝策略編制刀路。

根據上述的加工策略進行編程加工，仿真加工效果如圖7所示，結合實際加工情況分析，該加工策略可行，滿足圖樣的加工精度要求。

3 結 語

基于Mastercam軟件刀路的編程特點，結合零件的造型特點，通過曲面修補、恢復原造型等構建輔助曲面曲線的方法，是保證生成連續刀具路徑的基礎，從而實現刀路加工范圍的控制。同時巧妙設置加工參數能有效提高加工效率并起到改善加工質量的效果。在實踐中需要不斷總結經驗，從而實現對刀具路徑的輕松控制，達到提高加工效率與質量的效果。

表1 加工工藝策略

圖7 仿真加工效果