曲面交線CAM加工技術(shù)

何建斌，陳路，郭海軍

鄭州航天電子技術(shù)有限公司 河南鄭州 450000

1 序言

隨著航天事業(yè)的飛速發(fā)展，高精密零件廣泛應(yīng)用在各類航天產(chǎn)品中，零件的結(jié)構(gòu)也趨于復(fù)雜化。為滿足設(shè)計(jì)使用要求，單一零件的輪廓會出現(xiàn)各種曲面、曲線的相交結(jié)合，相交處產(chǎn)生的毛刺如果用人工去除的傳統(tǒng)方式，則需要使用專用工具，效率低，質(zhì)量也難以保證。目前CAM軟件已廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械生產(chǎn)線加工中，通過三維建模，優(yōu)化加工路徑，仿真模擬曲面、曲線加工軌跡，同樣適用于曲面交線毛刺的去除。CAM軟件可根據(jù)加工軌跡自動生成匹配機(jī)床系統(tǒng)的程序，既可提高編程效率，也提高了加工效率。

2 問題概述

我公司生產(chǎn)各類型航天電連接器、開關(guān)，零件結(jié)構(gòu)從簡單到復(fù)雜。某型號端蓋（見圖1）為公司開關(guān)類產(chǎn)品典型配套零件，由于零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有多處斜面與圓相交后產(chǎn)生的圓弧毛刺，手工去除不規(guī)則毛刺的質(zhì)量參差不齊，易產(chǎn)生表面劃傷，且效率低。隨著公司合同量的劇增，需求零件數(shù)量隨之增多，在保證質(zhì)量的前提下，提高加工效率和產(chǎn)品合格率勢在必行。

圖1 端蓋

采用機(jī)械加工方式去除相交線處毛刺，需要根據(jù)不規(guī)則的曲線采集輪廓點(diǎn)，計(jì)算刀具路徑，編程難度加大，如計(jì)算加工軌跡與零件輪廓有偏差，則修改程序相當(dāng)麻煩，導(dǎo)致編程、加工效率不高。

3 分析問題

通過二維和三維圖分析，發(fā)現(xiàn)端蓋上端面四周有3個4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面，4個斜面與4個φ10mm圓孔相交后形成不規(guī)則圓弧相交線，銑工工序加工完成后，轉(zhuǎn)入鉗工工序去毛刺，手工去除相交線毛刺時，會出現(xiàn)不規(guī)則的翻邊，需要經(jīng)過多次反復(fù)修刮，操作過程中極易劃傷已加工表面，去毛刺質(zhì)量不一致，也不穩(wěn)定，效率低。原因在于銑削加工內(nèi)孔與斜面相交時產(chǎn)生鋒利的銳邊毛刺，毛刺倒角的大小直接影響相交線的圓滑過渡狀態(tài)。倒角尺寸小，相交線沒有達(dá)到圓滑過渡；倒角尺寸大，會產(chǎn)生內(nèi)孔和斜面的二次翻邊毛刺，采用手工方式去除毛刺難以控制質(zhì)量的一致性。

4 解決問題

4.1 改進(jìn)加工方法

針對端蓋上圓弧相交處的不規(guī)則毛刺，為提高去毛刺的質(zhì)量，保持零件外觀的一致性，決定采用機(jī)械加工方式去除毛刺，以提高去除毛刺的質(zhì)量，保持一致性，避免已加工面被劃傷。

通過繪制三維圖（見圖1 b ）模擬3 個4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面與4個φ10mm圓孔相交后形成不規(guī)則圓弧相交線，發(fā)現(xiàn)在每個斜面形成的圓弧線是4個φ10mm的圓在斜面上的投影。經(jīng)過計(jì)算，由于在斜面上所形成的弧線為規(guī)則的橢圓線，因此可以通過旋轉(zhuǎn)45°斜面為水平面，按橢圓線路徑加工去除毛刺。

設(shè)計(jì)專用工裝，將零件固定在心軸上，通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)斜面加工轉(zhuǎn)化為水平面加工。通過理論計(jì)算出投影在斜面上的橢圓長軸和短軸尺寸，編制宏程序加工投影橢圓軌跡[1]。宏程序如下。

實(shí)際加工中，使用宏程序加工橢圓進(jìn)行相交線倒角，只能達(dá)到近似軌跡的加工，倒角軌跡不能完全擬合相交線輪廓，同樣產(chǎn)生二次毛刺，不能完全去除，4孔相交線軌跡不相同，需要編制不同的宏程序，增加編程工作量。調(diào)整程序參數(shù)時，并不能保證所有相交線的倒角圓滑過渡完全一致。

4.2 改進(jìn)編程方法

為了能實(shí)現(xiàn)斜面和內(nèi)孔相交線處倒角圓滑過渡一致，決定利用CAM軟件建模，仿真模擬輪廓加工軌跡，最大限度擬合輪廓相交線。選用CAXA制造工程師軟件，通過CAXA軟件三維建模，創(chuàng)建斜面和內(nèi)孔相交線加工軌跡。選取曲線投影加工（見圖2）功能[2]，選擇合理的刀具參數(shù)及切削參數(shù)，自動生成加工路線。通過仿真加工模擬（見圖3）驗(yàn)證加工軌跡的正確性，利用CAXA軟件后置處理功能自動生成NC程序（見圖4），解決不規(guī)則軌跡點(diǎn)的計(jì)算難題。

圖2 曲線投影加工

圖3 仿真加工模擬

圖4 利用CAXA軟件后置處理功能自動生成NC程序

利用CAXA軟件的曲線投影加工功能，實(shí)現(xiàn)加工軌跡與零件相交線的高度擬合，減少通過近似計(jì)算帶來的偏差，不需要考慮相交線軌跡取點(diǎn)計(jì)算的頻次，完全由CAXA軟件通過后處理功能計(jì)算，形成最優(yōu)化的NC程序。

實(shí)際加工時，只需要根據(jù)加工效果進(jìn)行微調(diào)整，修改零件三維模型，仿真，再次自動生成新程序，操作簡單且可視化。4個孔與斜面形成不同的相交線，無需編制更多的程序，只需選取相應(yīng)的輪廓線，就能在同一個后置處理程序內(nèi)編制完成，極大地提高了編程效率。最終加工的相交線倒角保持了一致性，滿足工藝技術(shù)要求。

經(jīng)過驗(yàn)證，設(shè)計(jì)專用心軸工裝（見圖5），通過加工中心旋轉(zhuǎn)軸裝夾心軸，在心軸上一次裝夾4件零件，利用分度頭的旋轉(zhuǎn)，將3個4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面依次旋轉(zhuǎn)進(jìn)行曲線投影加工去除毛刺。

圖5 專用心軸工裝

設(shè)計(jì)的專用心軸工裝是在4個相互垂直的基準(zhǔn)平面上，各加工4個φ5mm的凸臺，以MK2-2A端蓋上4個φ5mm內(nèi)孔定位，利用壓塊壓緊零件端面，通過分度頭的旋轉(zhuǎn)角度定位進(jìn)行去毛刺倒角加工[3]。該工裝安裝簡便，保證了加工后的毛刺質(zhì)量一致性，同時提高了去毛刺的效率。

5 取得的效果

通過此次攻關(guān)，積累了曲面相交線毛刺去除的經(jīng)驗(yàn)，對一些不規(guī)則的毛刺去除可以轉(zhuǎn)化為簡單的加工方式，同樣可以取得很好的效果。設(shè)計(jì)的專用心軸工裝一次能裝夾4件零件，安裝簡便，定位準(zhǔn)確，去除毛刺合格率達(dá)到100%，提高去毛刺效率50%。工藝改進(jìn)前后的加工效果對比見表1。

表1 工藝改進(jìn)前后的加工效果對比

6 新技術(shù)的推廣應(yīng)用

利用三維建模CAM加工技術(shù)，能有效解決生產(chǎn)過程中的編程計(jì)算難題，將設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)相結(jié)合，適用于新產(chǎn)品的快速研制。曲面加工應(yīng)用實(shí)例如圖6所示。

圖6 曲面加工應(yīng)用實(shí)例

7 結(jié)束語

本次技術(shù)攻關(guān)解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輪廓軌跡難以計(jì)算的零件加工難題，引入C A M加工軟件如CAXA、UG和Mastercam等，利用三維建模分析零件的結(jié)構(gòu)特征，選擇CAM軟件最適合加工需要的對應(yīng)功能，通過仿真模擬，驗(yàn)證加工的可行性。借鑒五軸機(jī)床加工思路，利用三維視圖模擬產(chǎn)生的斜面、弧線，自動生成加工程序，提高編程效率，更直觀地去尋找解決問題的方法，將CAM軟件更好地應(yīng)用于自動化生產(chǎn)中并推廣應(yīng)用，提高加工效率，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

專家點(diǎn)評

本例中的端蓋類零件有4處斜面與內(nèi)孔相交，手工去除毛刺的效率較低，機(jī)械加工去除毛刺的難度較大。作者引入CAM軟件，通過軟件的曲線投影加工功能，實(shí)現(xiàn)加工軌跡與零件相交線的擬合，借鑒五軸機(jī)床加工思路，自動生成加工程序。

文章的創(chuàng)新之處在于CAM數(shù)控加工技術(shù)在不規(guī)則曲面交線中的應(yīng)用，積累了去除毛刺的經(jīng)驗(yàn)。利用CAM軟件，模擬斜面和內(nèi)孔相交處的倒角加工路徑，自動生成去除毛刺程序，有效解決了曲線計(jì)算難題，提高了編程效率。設(shè)計(jì)專用心軸工裝，一次裝夾4件端蓋，通過分度頭的旋轉(zhuǎn)角度定位，實(shí)現(xiàn)快速安裝，提高了去除毛刺的效率。對于精密零件的曲面相交線倒角加工起到了很好的指導(dǎo)作用。