基于中望3D的薄壁零件CAM刀軌規劃研究

甘文峰

摘要：由于交互式CAD/CAM系統在產品設計、模具設計、CNC加工等方面具備顯著優勢，一體化系統在我國數控生產制造領域的應用日趨廣泛。本文基于中望3D系統，圍繞薄壁零件的數控加工問題開展深入研究。具體探討此類零件的建模方法、加工工藝選擇、具體加工要點、仿真分析。通過研究可以確定，在薄壁零件數控加工方面，中望3D的應用能夠顯著提升加工效率和質量，能夠為同類產品的生產提供借鑒。

關鍵詞：中望3D;薄壁零件;CAM;刀軌規劃

引言

薄壁零件通常是指具有型腔框架，但是在某一個方向或者多個方向存在小尺寸結構的零件。在機械領域，薄壁零件通常是基于產品標準要求，結構空間受限，或者是產品輕量化設計等原因產生的。由于零件的結構剛度不足，尺寸偏小，材質偏軟，傳統加工方式容易出現定位不準和加工變形問題，對生產效率及加工質量帶來負面影響。本文以某小型設備的散熱風扇底板為例，基于中望3D分析如何設計、加工、生產此類零件。在Overdrive引擎的支持下，對樣件進行三維實體建模，優化工序參數，規劃銑削加工方案，生成鉆孔刀軌，并進行加工仿真，為薄壁零件的數控加工提供參考。

1?零件建模及工藝分析

1.1?零件實體建模

如圖所示，是客戶廠商的散熱底板樣件，材質為鋁合金。該零件為典型的薄壁零件，整體形狀為扁平框架結構，平面外觀呈直角三角形。從正面看，具有四個薄壁深腔，其中有兩個腔鏤空至背面。正面還有若干個螺紋孔，用于定位和安裝。從背面看，具有淺腔和淺槽，并在表面附帶型號雕刻字樣：MODEL?PART?389。本實例的建模全部通過中望3D完成，使用到草圖繪制、拉伸、陣列、布爾合并等實體操作功能。可見，使用中望3D可以快速實現薄壁零件的創建。

1.2?加工工藝分析

對零件形狀進行分析，可以確定整體形狀高度為15mm，寬165mm，長166mm。零件在水平方向壁厚最薄處為5mm，豎直方向壁厚最薄處為4mm，屬于中小尺寸薄壁零件。考慮到工件正反面都需要加工，毛坯備料為180mm×180mm×30mm的方料，保證正反兩個表面均有7.5mm的坯料余量。在裝夾方面，由于在右下角存在異形突起，右側邊緣不齊整，影響了精密平口鉗的正常夾持。同時觀察到，零件中部具有加強筋提供左右方向的抵抗力，我們決定采用多塊矩形板，分別壓在零件右側，以及墊在毛坯底部。該裝夾方法可以防止在加工后期因為零件剛度下降引起夾持不穩、工作變形、加工抖動等問題。完成正面加工后，需要將工件翻轉180度進行反面加工。翻轉后同樣以矩形板墊在底部，并采用壓板固定四周。打表找到X軸和Y軸，粗銑表面至5mm作為Z方向原點。

2?薄壁零件工序安排

結合上文基于中望3D的三維實體建模及加工工藝分析，以下對該散熱板零件針對性地開展工序安排，正反兩面銑削加工，后置處理以及數控代碼輸出。主要涉及到的工序流程包括正反面開粗和二粗、內腔與槽的半精加工、內腔與槽的精加工、內壁與底面的清角加工、文字雕刻。選用的刀具分別為Ф12mm平銑刀、Ф8mm平銑刀、Ф4mm平銑刀、Ф1mm球頭刀、M4鉆頭，轉速分別為6000r/min、8000r/min、8000r/min、8000r/min、10000r/min、8000r/min，進給速度分別為2500mm/min、1800mm/min、1800mm/min、1800mm/min、2000mm/min、2000mm/min，切深分別為0.70mm、0.10mm、0.05mm、0.02mm、0.05mm。

2.1?正面加工要點

針對散熱底板的正面形狀特征，考慮結構強度，詳細設定如下四個加工工序流程。

1）正面開粗與二粗加工。為了在保證安全的前提下，盡可能快速完成大量材料清除，第一次開粗選用“光滑流線粗加工”策略，生成類似擺線的刀軌樣式，利用刀具側刃多層漸進地加工毛坯材料。相應工序參數的設定也比較進取，選擇較大直徑的Ф8mm平銑刀、較深的切深0.70mm、以及步距65%。緊接著，利用“參考工序”功能，基于開粗的殘留余料，選用Ф8mm平銑刀進行二粗。最后得到底面余量0.2mm，側邊余量0.3mm。

2）內腔側面與底面精加工。由于該零件內腔沒有拔模斜度，為了保證刀軌精度和加速運算，我們采用2.5軸多層加工方法，經過半精銑和精銑加工至目標表面。具體來說，對內腔側面，采用“二維輪廓加工”，選用Ф4mm平銑刀刀具，分三層漸進，每層步距0.10mm。最后一圈清邊刀軌步距0.05mm，加工至余量為零。對內腔底面，選用“二軸螺旋切削”和Ф4mm平銑刀刀具，切深0.05mm，步距45%，加工到位。

3）內腔清根清角加工。腔體側壁之間以及側壁與底面的連接處，會殘留少量的材料，影響成品精度。采用“參考刀具”功能，以精加工刀具為參考，選用“精角加工”工序和Ф1mm球頭刀，自動找到邊角位置，生成清根清角刀軌。

4）鉆孔。針對正面的若干個安裝孔，選用“鉆孔”工序和M4鉆頭，選擇“就近排序”，一次性完成五個鉆孔。

2.2?反面加工要點

1）反面開粗加工。同理，反面選用“光滑流線粗加工”和Ф8mm平銑刀，以切深0.70mm和步距65%進行一粗和二粗，側面和底面均留下0.2mm余量給半精和精加工。

2）槽精加工。反面的兩處淺槽形狀簡單，而且加工質量要求不高，采用Ф4mm平銑刀以0.05mm切深加工即可。

3）鏤空精加工。鏤空部位大部分材料已被清除，只剩側面而沒有底面，需要防止工件剛性不足，采用保守的工序參數。選用“二維輪廓加工”，選用較小的刀具Ф1mm球頭刀，以0.02mm切深加工到位。

4）文字雕刻。在實際工程中，多采用廢舊小號鉆頭當作刻字刀具。本次，我們復用M4鉆頭，以0.05mm深度在表面刻出字樣。

3?后置處理與仿真分析

為了查看刀具運動過程，判斷刀軌水平穿越時是否安全離開毛坯平面，我們使用中望3D“實體仿真”功能進行切削模擬。通過虛擬刀具和毛坯模擬材料去除，觀察到刀具正常切削，結果顯示沒有出現任何干涉。最后將成品材料與原始零件形狀對比，顯示沒有過切或欠切，加工效果符合容差要求。后處理器選用中望3D為西門子系統標配的默認Sinumerik_840D.znc配置文件，可以生成適用于德馬吉DMU50加工中心的代碼。它提供了CYCLE800局部坐標系指令，為本次零件正反雙面加工提供支持。

4?結論

綜上所述，通過在中望3D中建立工件模型，設置加工工序，生成數控程序并進行加工仿真，驗證了針對薄壁零件CAM刀軌規劃的可行性。其中涉及的加工工藝安排、正反面加工要點、切削仿真等內容，直觀展示了中望3D在薄壁零件生產方面的應用路徑，可以成為同類零件加工的有力參考。

參考文獻：

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