基于MasterCAM復雜零件工藝分析及高效數控加工

楊龍

（龍巖技師學院，福建龍巖 364000）

1 引言

經濟的快速發展對復雜零件的需求愈發增多，如何能高效加工復雜零件確保在激烈的市場競爭中立有一席之地，是當前機械制造領域普遍關注的問題。本文以全國技能大賽數控技術綜合應用賽項中的右立板零件為例，該零件形狀復雜，尺寸精度要求高，如何能高效加工出合格零件對編程人員而言是一個不小的挑戰。

2 問題提出

數控技術綜合應用賽項要求車/銑機床加工不同零件，組裝后對連接軸上的葉輪施加0.5MPa氣壓，連接軸軸端裝有軸承，通過連接軸的旋轉運動帶動活塞桿做直線上下往復運動以實現抽水功能。作為關鍵零件的右立板，其加工質量直接影響功能的實現。

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，側面還有M5mm孔特征需要加工，毛坯規格為150×138×30mm。材質為2A12為硬鋁合金，綜合機械性能較好，零件主要尺寸為帶公差的尺寸，最高尺寸精度IT7級，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 加工難點分析

零件整體結構復雜，表面要求無加工刀痕、劃痕、凹痕等。環形槽寬公差0.04mm，薄壁厚2.25mm，尺寸難以檢測，材料的熱膨脹系數比較大，加工時受到毛坯內應力、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速度，進而影響功能的實現。

圖1 零件圖

4 工藝編排

為保證加工質量，需綜合考量，主要從毛坯內應力、刀具切削能力、工件夾裝方法及結合軟件加工策略運用等方面入手制定合理的加工工藝。

4.1 合理選用夾具

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

4.2 減小內應力

選用加工鋁合金材質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間，可以釋放一部分內應力，減少精加工工序的加工變形。

5 高效加工策略的選用

5.1 動態銑削粗加工

MasterCAM軟件的動態加工策略是一種充分發揮刀具側刃和底刃的切削優勢，以達到高效切削目的加工策略。切削厚度保持穩定，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排出。根據加工中的刀具運動變化不斷調整刀具與坯料的接觸角度，使加工過程中的刀具負載達到動態平衡，避免刀具在使用大切深切削時因負載過大而引起的斷裂。

5.2 水平區域銑削精加工

該策略用于加工模型的平面區域，在每個區域的Z高度創建切削路徑。一次性拾取加工表面，即可加工切削范圍內的所有模型平面，相較于傳統刀路的單個平面拾取，縮短輔助時間，提高了加工的效率。

5.3 實體模型倒角

模型倒角是一個強大的加工策略，它可以基于實體模型快捷的創建2D倒角刀路。一次拾取所有表面，通過設置參數即可生成了一個零干涉、相同大小的倒角刀路，并且在刀具參數范圍內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，刀具切削參數如表1所示。

表1 刀具切削參數

6.1 粗加工第一面

（1）φ63mm面銑刀平面銑削。

（2）φ10mm粗銑刀對第一面整體開粗（3d優化動態策略），參數設置如圖2所示，切削深度22mm。

優化動態粗切具體操作如下：單擊優化動態粗切圖標，在彈出的參數設置對話框中單擊“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”，設置如圖3所示的參數，其中距離（切寬）為3.0mm，深度15.0mm，勾選步進量方框按鈕，設定為1.5mm，其余默認參數設置，點擊“陡峭/前灘”，最高位置設為0.5mm，最低位置設為-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 參數設置對話框

圖3 加工軌跡

圖4 仿真結果

（3）φ6mm粗銑刀對未加工區域二粗加工。

（4）φ10mm粗銑刀對工藝臺需要裝夾的位置光刀處理。

注意事項：加工過程中注意仿真，看有無過切漏切現象，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銑刀對零件第二面整體開粗，深度24mm。

（3）φ6mm銑刀對零件第二面二次開粗，并進行清角。

（4）φ8.5mm的鉆頭鉆RC1/8的底孔。

（5）拆下零件進行應力釋放，重新裝夾分中對刀，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精銑刀對零件底面進行精修（水平區域加工策略），精修底面過程中，X、Y方向間隙預留0.2mm，避免產生讓刀。

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

圖5 參數設置對話框

（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 仿真結果

（4）φ6mm倒角刀倒角（模型倒角策略），C1倒角需單獨拾取。

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，在彈出的參數對話框中選擇串聯圖形—窗選實體表面，側面間隙0.05mm，安全高度1.0mm；單擊刀具選項，設定一把φ6mm×45°的倒角刀，刀尖直徑設定為φ0.1mm；單擊切削參數，補正類型—磨損，補正方向左，倒角寬度0.3mm，底面偏移0.3mm；單擊進/退刀設置，長度0.5mm，半徑R0.5mm，其余默認設置，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 參數設置對話框

圖9 刀具軌跡

（5）攻RC1/8螺紋，并用通止規檢驗螺紋是否合格。

注意事項：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黑或造成讓刀現象，可采用磨好避空位的銑刀或加長銑刀進行加工；②加工過程中注意仿真，看有無過切漏切現象。

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，并進行清角。

（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的調整實體，一般零件開粗的時候沒夾變形，是相差不大的。

（4）重新裝夾、拉表并對刀（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精銑刀對零件底面進行精修，XY余量留0.2mm，避免產生讓刀。

（7）φ10mm、φ6mm精修刀對輪廓精修，并控制零件尺寸精度。

（8）φ6mm倒角刀倒角。

6.5 精加工側面

（1）高鉗口裝夾零件，拉表、分中對刀。

（2）φ5.2mm鉆頭鉆M6mm底孔。

（3）螺紋銑刀加工M6mm螺紋。

（4）φ6mm倒角刀進行倒角。

7 上機加工

在驗證安全無過切的情況下，將NC程序導入機床進行加工，圖10所示為右立板零件粗加工。精加工后檢測實際加工結果，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 結語

本文引用數控大賽的一個典型加工案例，分析了零件的結構特點、加工難點及采取的解決方法。運用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，設置加工參數，機加工后零件的表面質量及尺寸精度符合技術要求，取得了良好的加工效果。本文的加工思路對高效加工復雜零件具有一定的借鑒意義。