基于MasterCAM对零件造型、加工的分析

郑泽林

摘 要：随着技工教育的不断发展，机床的不断升级，零件的结构越来越复杂化，零件造型、加工应用也越来越广泛，MasterCAM是加工中一种常见的仿真软件。CAD/CAM得到广泛运用，MasterCAM对零件进行造型设计，并对零件进行编程加工，日趋重要。本文将通过加工实例，讲述曲面造型的方法，分析薄壁和曲面加工的难点和解决的方法。

关键词：零件造型设计；加工编程；曲面造型；薄壁加工

1前言

随着技术经济的快速发展，CAD/CAM得到广泛运用，从根本上改变了传统的设计、生产模式。MasterCAM提供了从产品的几何造型设计到加工制造过程中各项功能。它利用多种方式对零件进行造型设计，并且通过各种方法对零件的加工进行自动编程，通过后置处理快速生成数控代码，完成零件的设计到生产加工的过程。进行零件造型设计，能保证零件在后续加工编程中准确生成加工程序，实现零件的正确造型。而对零件加工过程中如何提高加工效率，要求在生成加工程序时，要对刀具路径进行合理的安排，才会使零件完整、有序的加工出来。本文主要研究利用MasterCAM平台提供的功能，对零件造型设计和零件加工进行分析。

2工件分析

如图1、2、3分别是零件的正面俯视图、局部剖左视图和反面俯视图。

由所示图中可以得知：该零件外形为一个100x100mm并带有圆角为R20mm的正方形，在正面图形中，有一个高为5mm，半径为R45mm的凸台，凸台中心处还有一处半径为R14.5mm深为10mm的圆槽，凸台上还有一高度为5mm，厚度为1mm的类似风扇叶片的薄壁图样，而反面造型中是一个复杂曲面造型，设置了横向引线在通过纵向导引线生成的一个复杂曲面。

3零件的造型设计

对于正面图形而言，通过对二维图形的有序组合就可以得到正面图形的外形设计，如图4所示。但对反面图形来说，要设计一个复杂曲面，在设计的时候就有多种选择，设计不好，曲面将不能生成，或是生成了将会产生缝隙，不能将曲面融合起来，不能达到设计要求。

在设计三维复杂曲面的时候，MasterCAM平台提供了六种曲面造型工具，通过对三维线框的分析，应该选择昆氏曲面造型工具。昆氏曲面造型简单的方法就是通过数行跟列来确定曲面的经纬线，根據这一思路，我们根据通过昆氏曲面进行造型，造型图如下图5所示。

在利用昆氏曲面造型的时候，很多时候都会出现这种问题。产生这种问题的原因是因为在构造昆氏曲面的时候，要选择的纵向边界比较多，如果不能保证所选的方向都是一致的话就容易产生图5中所示的情况，需要解决这个问题有两种方法：第一就是在选择方向的时候，一定要保证所有边界横向、纵向各自的方向一致，如图6所示。

这一种方法中，对串联方向比较难保证，因为在选择的过程中对方向的控制容易出现分叉点，有时候即使是方向保证好了，也不一定能将这一曲面完整的做出来，这是因为有时候纵向截面线的形状相差太远，在过渡的时候没有平滑过来，就像图6中的4条截面线，右端两条是半圆弧，左边两条是跨度比较大的圆弧组合曲线，在连接的时候，很容易就出现像图5所示的过渡不平滑和与线框不连接的问题。所以这一种方法在做昆氏曲面时个人不赞成使用。

第二种方法就是将昆氏曲面的行与列简化成一行一列的形式。这样做的好处是可以将复杂的三维线框简化掉，同时也可以避免在串联时对方向的选择问题，因为一行一列的话，对行和列就只有一个方向了，并且行列边界就是曲面的范围，中间也没有面上导引线，所以在曲面生成时就不会产生边界与线框脱离的问题。一行一列的昆氏曲面在选择曲面融合的方式时也较为简单，只要选择了，曲面上都会很平滑的过渡，不会产生明显的过渡痕。这一方法比较麻烦，但对昆氏曲面生成的效果会好点，并且在截面线越多的情况下，用最简单的方法做，效果会更好些。用这种方法生成的昆氏曲面如下图7所示。

总之，在对曲面进行设计的时候，都要对曲面进行分析，如果曲面设计时得不到想要的效果或者产生不正确曲面，对后面零件的加工将带来负面的影响。

4零件的编程加工

零件造型设计处理好了，接下来要对零件进行编程加工，跟造型设计一样，对零件进行编程加工时，也要对零件造型进行分析，因为任何一个零件都存在着加工难点，处理好这些问题才能实现加工的最优化处理。就这一零件而言，存在两处难点，其一就是正面类风扇叶片的阵列薄壁加工，其二就是反面的三维曲面加工。

就正面六片类扇叶零件而言，在加工时去除材料多为90%以上，属于薄壁零件的加工。薄壁零件一直都是制造业中比较棘手的问题，该类零件壁薄，刚性差，装夹难，加工时易变形，使得工件的形位误差增大。在加工过程中需要解决的问题是减少变形，保证精度，尽量提高其加工效率。因此，对薄壁零件加工就必须充分地考虑工艺问题对零件加工质量的影响，对工件装夹、工序安排、走刀路线、切削用量参数、刀具选用等多方面进行优化。

该处零件存在壁薄、较深、刚性差等特点，加工中主要要克服切削力、切削热所产生的应力变形。考虑到如何减少切削力的问题，这里采用减少吃刀量的方法，使工件所受阻力减少来降低切削力对薄壁处的应力变形。其中可以使用冷却液防止切削過程中产生的切削热对薄壁的影响。但为了提高加工效率，也可以采用高速切削的方法，吃刀量较小，在加工过程中可以适当的提高进给，这样做的好处不但可以提高效率，缩短时间，另外的作用是，在高速切削下，切削所产生的热量还没有来得及传导到工件上就已经随切屑排除。在对薄壁处进行精加工时，采用同样的方法，也是利用提高切削速度的方法，但精加工时，余量只有0.2mm左右，所以可以适当的提高精加工时的吃刀量深度，提高效率。

在反面图形中，是一处不规则曲面的加工，在加工曲面的过程中，主要的加工问题就是解决好曲面与平面相交处的加工问题，这里主要要考虑的是利用好铣刀，提高表面质量，同时也要提高加工效率。

对不规则曲面进行精加工时，都会选择球刀对曲面进行精加工，利用球刀进行清角处理的时候，平面會阻碍球刀的下深（如图8），使球刀不能对曲面进行精加工，产生一个加工死角，也就是图示中的黑色部分，使工件精度达不到要求。

要解决这个问题，要采用平底铣刀进行曲面的精加工，平底铣刀加工的时候，利用直线逼近的方法对曲面进行加工（如图9），但逼近直线步进值太大的话，一样会影响加工精度，所以必须控制平底铣刀的每次下深的吃刀量值，吃刀量值越小的话，表面粗糙度将越高，但如果不断的控制吃刀量的话，将会降低加工效率，其次，当吃刀量达到一定程度的时候，对表面粗糙度的影响就没有那么明显了，所以在保证要求的粗糙度情况下，加大吃刀量，提高加工效率，实现加工过程的最优化处理。

出于这种考虑，对曲面进行加工的时候，就先对曲面进行粗加工，加工过后直接利用平底铣刀对较低位置进行精加工，接着球刀对整体曲面进行精加工，对整体曲面进行精加工，都要根据球刀半径来限定曲面的加工深度，限定了深度不仅可以限定加工区域，也能利用刀具对曲面的精加工，既提高效率，也能提高表面质量。

利用上述的办法对曲面加工，得到图10的曲面加工效果图。

在效果图上，球刀与平底刀的接到处没有明显的接刀痕，但实际加工效果中，在这一处接刀的地方会有一点点痕迹，但对曲面的表面粗糙度没有很大的影响，可以满足零件的粗糙度要求。

5结语

在利用MasterCAM对零件进行造型设计，加工的时候，要做到充分分析零件的构造，合理利用MasterCAM平台提供的功能，才能准确无误的对零件造型进行设计，快速生成零件造型。进行零件加工编程的时候，要分析好零件加工过程将遇到的加工瓶颈，找出零件加工的难点，利用合理的编程方法解决这些难点，才能加工出要求的零件。

本文對零件的造型设计、加工编程依照上述图例进行问题分析，提出了自己的见解，在实际加工中也会遇到更多的问题，需要不断地积累经验，从而提高加工质量和生产效率。

参考文献：

[1]魏刻木，刘深新.Mastercam X2模局CNC编程完全实战.北京：机械工业出版社，2008（1）.

[2]卢秉恒.机械制作技术基础.第3版.北京：机械工业出版社，2007（12）.

[3]张伯霖.张伯霖高速切削及应用.北京：机械工业出版社，2009（8）.