基于MasterCAM復(fù)雜零件工藝分析及高效數(shù)控加工

楊龍

（龍巖技師學(xué)院，福建龍巖 364000）

1 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)復(fù)雜零件的需求愈發(fā)增多，如何能高效加工復(fù)雜零件確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭中立有一席之地，是當(dāng)前機(jī)械制造領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題。本文以全國技能大賽數(shù)控技術(shù)綜合應(yīng)用賽項(xiàng)中的右立板零件為例，該零件形狀復(fù)雜，尺寸精度要求高，如何能高效加工出合格零件對(duì)編程人員而言是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

2 問題提出

數(shù)控技術(shù)綜合應(yīng)用賽項(xiàng)要求車/銑機(jī)床加工不同零件，組裝后對(duì)連接軸上的葉輪施加0.5MPa氣壓，連接軸軸端裝有軸承，通過連接軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)活塞桿做直線上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)抽水功能。作為關(guān)鍵零件的右立板，其加工質(zhì)量直接影響功能的實(shí)現(xiàn)。

3 零件分析

3.1 零件尺寸精度分析

如圖1所示，零件除正、反面需要加工外，側(cè)面還有M5mm孔特征需要加工，毛坯規(guī)格為150×138×30mm。材質(zhì)為2A12為硬鋁合金，綜合機(jī)械性能較好，零件主要尺寸為帶公差的尺寸，最高尺寸精度IT7級(jí)，多處表面粗糙度值要求Ra1.6μm，其余基本尺寸精度要求±0.2mm，螺紋深度與孔深度控制在0/+2mm，圓弧半徑控制在±0.2mm。

3.2 加工難點(diǎn)分析

零件整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面要求無加工刀痕、劃痕、凹痕等。環(huán)形槽寬公差0.04mm，薄壁厚2.25mm，尺寸難以檢測(cè)，材料的熱膨脹系數(shù)比較大，加工時(shí)受到毛坯內(nèi)應(yīng)力、切削力、切削熱、以及夾緊力等因素的影響引起扭曲變形。此外槽寬23+0.030mm、厚度尺寸15+0.030mm、寬度尺寸260-0.02mm、均屬難控制尺寸，此零件若不正、反開粗再精修易造成平行度與深度尺寸超差，影響裝配后連接軸的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而影響功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 零件圖

4 工藝編排

為保證加工質(zhì)量，需綜合考量，主要從毛坯內(nèi)應(yīng)力、刀具切削能力、工件夾裝方法及結(jié)合軟件加工策略運(yùn)用等方面入手制定合理的加工工藝。

4.1 合理選用夾具

選用規(guī)格為VC-150型精密液壓平口鉗，通過調(diào)整螺桿旋轉(zhuǎn)圈數(shù)能較精確控制夾持力度，對(duì)于剛性較差的薄壁鋁合金工件，精加工時(shí)平口鉗夾緊力不宜大，夾緊力以不發(fā)生位移即可，為保證夾持剛性，采用壓板壓在工件上表面。同時(shí)，為增加薄壁區(qū)域的剛性，在槽區(qū)域填充介質(zhì)（斜塊），以減少裝夾和切削過程中工件產(chǎn)生的變形。

4.2 減小內(nèi)應(yīng)力

選用加工鋁合金材質(zhì)專用的三刃銑刀切削，將零件正、反開粗切除大量的材料后放置一段時(shí)間，可以釋放一部分內(nèi)應(yīng)力，減少精加工工序的加工變形。

5 高效加工策略的選用

5.1 動(dòng)態(tài)銑削粗加工

MasterCAM軟件的動(dòng)態(tài)加工策略是一種充分發(fā)揮刀具側(cè)刃和底刃的切削優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到高效切削目的加工策略。切削厚度保持穩(wěn)定，切削中的熱量分布及刀具荷載均勻分布，熱量及廢削得以及時(shí)排出。根據(jù)加工中的刀具運(yùn)動(dòng)變化不斷調(diào)整刀具與坯料的接觸角度，使加工過程中的刀具負(fù)載達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，避免刀具在使用大切深切削時(shí)因負(fù)載過大而引起的斷裂。

5.2 水平區(qū)域銑削精加工

該策略用于加工模型的平面區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域的Z高度創(chuàng)建切削路徑。一次性拾取加工表面，即可加工切削范圍內(nèi)的所有模型平面，相較于傳統(tǒng)刀路的單個(gè)平面拾取，縮短輔助時(shí)間，提高了加工的效率。

5.3 實(shí)體模型倒角

模型倒角是一個(gè)強(qiáng)大的加工策略，它可以基于實(shí)體模型快捷的創(chuàng)建2D倒角刀路。一次拾取所有表面，通過設(shè)置參數(shù)即可生成了一個(gè)零干涉、相同大小的倒角刀路，并且在刀具參數(shù)范圍內(nèi)加工盡可能多的倒角。

6 加工工藝編排

基于上述工藝分析，制定了以下的加工工藝，刀具切削參數(shù)如表1所示。

表1 刀具切削參數(shù)

6.1 粗加工第一面

（1）φ63mm面銑刀平面銑削。

（2）φ10mm粗銑刀對(duì)第一面整體開粗（3d優(yōu)化動(dòng)態(tài)策略），參數(shù)設(shè)置如圖2所示，切削深度22mm。

優(yōu)化動(dòng)態(tài)粗切具體操作如下：單擊優(yōu)化動(dòng)態(tài)粗切圖標(biāo)，在彈出的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中單擊“模型圖形”，單擊“選擇圖素”按鈕，窗選加工表面，單擊刀路控制—邊界串連—邊界范圍，拾取圖3中的紅線為邊界范圍，單擊“切削參數(shù)”，設(shè)置如圖3所示的參數(shù)，其中距離（切寬）為3.0mm，深度15.0mm，勾選步進(jìn)量方框按鈕，設(shè)定為1.5mm，其余默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊“陡峭/前灘”，最高位置設(shè)為0.5mm，最低位置設(shè)為-24mm，單擊確定，生成如圖3所示刀路，圖4所示為仿真效果。

圖2 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3 加工軌跡

圖4 仿真結(jié)果

（3）φ6mm粗銑刀對(duì)未加工區(qū)域二粗加工。

（4）φ10mm粗銑刀對(duì)工藝臺(tái)需要裝夾的位置光刀處理。

注意事項(xiàng)：加工過程中注意仿真，看有無過切漏切現(xiàn)象，保存仿真毛坯（STL格式），下一步仿真需要用到。

6.2 粗加工第二面

（1）φ63mm面銑刀平面開粗，總厚度約留0.5～0.6mm余量。

（2）φ10mm銑刀對(duì)零件第二面整體開粗，深度24mm。

（3）φ6mm銑刀對(duì)零件第二面二次開粗，并進(jìn)行清角。

（4）φ8.5mm的鉆頭鉆RC1/8的底孔。

（5）拆下零件進(jìn)行應(yīng)力釋放，重新裝夾分中對(duì)刀，注意夾緊力度。

6.3 精加工第二面

（1）φ10mm、φ6mm粗銑刀采用磨損的方式走一遍精加工的程序，余量約留0.1mm。

（2）φ10mm、φ6mm精銑刀對(duì)零件底面進(jìn)行精修（水平區(qū)域加工策略），精修底面過程中，X、Y方向間隙預(yù)留0.2mm，避免產(chǎn)生讓刀。

水平區(qū)域加工策略具體操作如下：單擊水平區(qū)域圖標(biāo)，在彈出的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中單擊“模型圖形”，單擊“選擇圖素”按鈕，窗選加工表面。單擊“切削參數(shù)”，設(shè)置如圖5所示的參數(shù)，其中切削距離為80.0mm，最小4.4mm，最大8.0mm，其余默認(rèn)參數(shù)設(shè)置，單擊確定按鈕，生成如圖6所示刀路，圖7為仿真結(jié)果。

圖5 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

（3）φ10mm、φ6mm精修刀具精修輪廓，并控制零件尺寸精度。

圖6 刀具軌跡

圖7 仿真結(jié)果

（4）φ6mm倒角刀倒角（模型倒角策略），C1倒角需單獨(dú)拾取。

模型倒角策略具體操作如下：單擊2D展開刀路里的模型倒角策略，在彈出的參數(shù)對(duì)話框中選擇串聯(lián)圖形—窗選實(shí)體表面，側(cè)面間隙0.05mm，安全高度1.0mm；單擊刀具選項(xiàng)，設(shè)定一把φ6mm×45°的倒角刀，刀尖直徑設(shè)定為φ0.1mm；單擊切削參數(shù)，補(bǔ)正類型—磨損，補(bǔ)正方向左，倒角寬度0.3mm，底面偏移0.3mm；單擊進(jìn)/退刀設(shè)置，長度0.5mm，半徑R0.5mm，其余默認(rèn)設(shè)置，單擊確定按鈕，如圖8所示，生成如圖9所示的刀具軌跡。

圖8 參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖9 刀具軌跡

（5）攻RC1/8螺紋，并用通止規(guī)檢驗(yàn)螺紋是否合格。

注意事項(xiàng)：①本次精修所用φ6mm刀具加工深度較深，為避免刀柄刮蹭部分發(fā)黑或造成讓刀現(xiàn)象，可采用磨好避空位的銑刀或加長銑刀進(jìn)行加工；②加工過程中注意仿真，看有無過切漏切現(xiàn)象。

6.4 精加工第一面

（1）零件翻面裝夾，上部用壓板壓住。

（2）φ10mm、φ6mm立銑刀采用剩余毛坯方式去除殘留工藝臺(tái)，并進(jìn)行清角。

（3）松開零件，檢查尺寸厚度余量是否均勻，相差過大的可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整實(shí)體，一般零件開粗的時(shí)候沒夾變形，是相差不大的。

（4）重新裝夾、拉表并對(duì)刀（注意夾緊力）。

（5）φ10mm、φ6mm精加工立銑刀采用磨損的方式走一遍精加工程序，余量留0.1mm。

（6）φ10mm、φ6mm精銑刀對(duì)零件底面進(jìn)行精修，XY余量留0.2mm，避免產(chǎn)生讓刀。

（7）φ10mm、φ6mm精修刀對(duì)輪廓精修，并控制零件尺寸精度。

（8）φ6mm倒角刀倒角。

6.5 精加工側(cè)面

（1）高鉗口裝夾零件，拉表、分中對(duì)刀。

（2）φ5.2mm鉆頭鉆M6mm底孔。

（3）螺紋銑刀加工M6mm螺紋。

（4）φ6mm倒角刀進(jìn)行倒角。

7 上機(jī)加工

在驗(yàn)證安全無過切的情況下，將NC程序?qū)霗C(jī)床進(jìn)行加工，圖10所示為右立板零件粗加工。精加工后檢測(cè)實(shí)際加工結(jié)果，主要的尺寸均加工合格，如圖11所示。

圖10 粗加工模型

圖11 精加工模型

8 結(jié)語

本文引用數(shù)控大賽的一個(gè)典型加工案例，分析了零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加工難點(diǎn)及采取的解決方法。運(yùn)用MasterCAM軟件的多種高效加工策略極大地提升了加工效率。制定了合理的加工工藝，設(shè)置加工參數(shù)，機(jī)加工后零件的表面質(zhì)量及尺寸精度符合技術(shù)要求，取得了良好的加工效果。本文的加工思路對(duì)高效加工復(fù)雜零件具有一定的借鑒意義。