曲面零件的数控加工与刀路应用

蓝小红

[摘           要]  针对曲面铣削加工，分别采用了Mastercam X3和CAXA制作工程师2013编制不同加工工艺路线，并进行优缺点对比。在保证零件加工精度和表面粗糙度要求的前提下，选择合理的加工工艺路线，从而提高数控机床的加工效率，降低加工成本。

[关    键   词]  曲面铣削;加工工艺;数控加工;Mastercam;CAXA

[中图分类号]  TG54                 [文献标志码]  A          [文章编号]  2096-0603（2019）19-0282-03

一、引言

曲面加工在航空、模具、汽車、造船等各领域中广泛应用。许多零件外形是复杂的曲面，这些复杂形状零件对加工技术的要求较高，如何实现复杂曲面零件的切削加工，提高加工质量与加工效率，降低加工成本是生产制造过程中普遍面临的问题。

数控加工是CAD/CAM系统中的重要模块之一，较传统加工而言，其加工表面质量较好且加工效率高。尤其适用于加工批量小变化快、型面复杂和精度要求高的产品，对缩短该类产品的制造周期，提高加工精度，降低生产成本等方面具有明显的优势。本文以典型复杂曲面的数控铣削加工为例，分别采用了Mastercam和CAXA制作工程师编制不同加工工艺路线，并就数控铣削加工中加工精度的保证和加工效率的提高等方面进行对比。

二、曲面铣削加工实例

（一）零件图

图1为一个曲面零件图，外形为一个圆柱体，有一个复杂曲面组成的凸台。

（二）工艺方案

1.毛坯为￠55*25mm，采用三爪卡盘装夹，装夹高度15mm。

2.选取￠16平底铣刀，转数2200r/min，进给量800mm/min，下刀速率700mm/min，提刀速率2000mm/min。采用平面铣削加工方式，选取外形轮廓对毛坯平面进行精加工。设置工件表面0.0，加工深度0.0，Z向加工余量0.0。考虑到毛坯尺寸可能不平整，可以通过改变机床Z方向的坐标值，以获得平整的平面和理想的加工效果。

3.继续选取￠16平底铣刀，用外形铣削加工刀路，选取外形轮廓对零件的外形进行粗、精加工。设置工件表面0.0mm，切削深度0.0mm，XY方向加工余量为0.0mm，设置XY方向分层2次，每次间距0.1。XY方向分两刀进行加工，第一刀加工余量为0.1mm，第二刀加工余量为0mm，以达到粗精加工效果。

4.掉头装夹，仍然采用三爪卡盘装夹，装夹高度15.0mm，采用分中棒对零件进行四面分中。

5.继续选取￠16平底铣刀，用平面铣削加工刀路，选取外形轮廓对零件的剩余毛坯进行粗、精加工。设置工件表面0.0mm，切削深度0.0mm，XY方向加工余量为0.0mm，设置Z方向分层，每层1.0mm。

6.继续选取￠16平底铣刀，用曲面挖槽粗加工刀路，选取实体模型对零件的进行粗加工。设置最高切削深度20.0mm，最小切削深度10.0，整体加工余量为0.3mm，设置Z方向分层，每层1.0mm。

7.选取￠10R0.3圆鼻球刀，转数4500r/min，进给

量800mm/min，下刀速率700mm/min，提刀速率

2000mm/min。用曲面等高精加工刀路，选取实体模型对零件的进行粗加工。设置最高切削深度20.0mm，最小切削深度10.0，整体加工余量为0.0mm，设置Z方向分层，每层0.1mm。

三、加工路线的选择与对比

Mastercam是美国CNC Software Inc.公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它把计算机辅助设计和制造功能有机结合起来，不仅能方便地实现型腔铣削轮廓铣削以及电位加工，还具有强大的曲面粗、精加工功能。采用MasterCAM软件不仅能大大提高数控编程效率，而且还能编制出手工编程无法实现的复杂曲面的NC程序，因而大受使用者欢迎，并已在复杂曲面零件的加工制造中获得了良好的应用效果。

CAXA制造工程师是由我国北航海尔公司开发的有自主知识产权的完整CAD/CAM软件包，并且成为第一届全国数控技能大赛中指定的CAD/CAM软件。它将CAD模型与CAM加工技术无缝集成，可直接对曲面、实体模型进行一致的加工操作。支持高速切削工艺，以提高产品精度，降低代码数量，使加工质量和效率大大提高。可设定斜向切入和螺旋切人等接近和切入方式，拐角处可设定圆角过渡，轮廓与轮廓之间可通过圆弧或S字形方式来过渡形成光滑连接，从而生成光滑刀具轨迹，能满足较高的表面质量要求。

下面从曲面的粗、精加工分别采用了Mastercam和CAXA制作工程师编制不同加工工艺路线进行外形铣削加工刀路的对比。

（一）曲面轮廓粗加工

1.曲面挖槽粗加工

在Mastercam加工方法中，曲面挖槽粗加工是分层切除曲面与加工范围之间的所有材料，加工完毕的工件表面呈梯田状。如图2曲面挖槽粗加工刀具路径示意图所示，Mastercam根据所选的曲面或实体在不同高度的截面形状，计算出各层的刀具路径。曲面挖槽粗加工效率高，刀具受力均匀，常作为三维曲面粗加工为首选方案。

操作步骤：

选择菜单栏中的Tool paths/Surface Rough/Pocket（曲面挖槽粗加工）命令。系统提示选择加工曲面，框选所有曲面为加工曲面，按Enter键确定。

系统弹出“加工曲面、干涉面及加工范围设置”对话框，单击Containment选项中的按钮，选择￠55的圆弧为加工边界，单击按钮确定。

系统弹出“曲面挖槽粗加工”对话框，在刀具栏空白区单击鼠标右键，从刀具库里选择10R0.8的圆鼻刀，并设置刀具参数。

单击Surface parameters（曲面参数）选项卡，对话框界面切换至Surface parameters界面，并设置刀具参数。

单击Rough parameters（粗加工参数）选项卡，对话框界面切换至Rough parameters界面，并设置刀具参数。

单击Cut depths（加工深度）按钮，系统弹出“加工深度参数设置”对话框，并设置刀具参数。

单击Pocket parameters（挖槽參数）选项卡，对话框界面切换至Pocket parameters界面，并设置刀具参数。

计算曲面挖槽粗加工的刀具路径，如图3所示。单击操作管理器中的按钮，进行实体模拟，模拟结果如图4所示。

2.等高线粗加工

在CAXA制造工程师曲面加工中，等高线粗加工即为分层加工，这个层是编程人员设定的，一般为1.0mm。自动编程软件根据每一层的零件外轮廓，计算需要避开的轮廓数据和重复的刀路，生成由G代码为主的后处理程序。其特点是效率较高，刀具轨迹比较简单，适用于陡峭或者有规律倾斜的曲面，但是其走刀轨迹复杂，因此加工速度较慢。

操作步骤：

打开文件，单击顶部工具栏中的等高线粗加工按钮。

弹出加工参数对话框，进行加工参数的设置。加工方式为往复，加工方向为顺铣，选择层优先，设置余量、精度、行距、层高等参数。

单击“区域参数设置”选项卡，设置加工边界和高度范围等参数。

单击“连接参数设置”选项卡，选择连接方式为从安全距离接近，返回到安全距离。并设置下抬刀方式。

单击“切削用量”选项卡，根据所选刀具和用料设置刀具参数。

单击“刀具参数”选项卡，并设置刀具参数。

单击“几何”选项卡，选择加工曲面。

单击确定按钮，计算等高线粗加工的刀具路径，如图5所示。单击操作管理器中的按钮，进行实体模拟，模拟结果如图6所示。

3.曲面挖槽与等高线粗加工对比从图3和图5两种加工方法的刀具路径对比，可以看出等高线粗加工要比曲面挖槽粗加工走刀轨迹复杂。而从两种加工方法的实体加工模拟结果如图4和图6来看，区别并不大。下表中，我们给出相同的自动编程约束条件，来对比两种加工刀具路径轨迹生成时间、加工时间、程序长度以及代码行数，可以看出曲面挖槽在粗加工上加工效率更高一些，可以节省更多的加工时间，降低加工成本。

（二）曲面轮廓精加工

精加工阶段考虑的主要因素是加工精度，因而在保证加工精度的前提下尽可能提高加工效率。

针对此零件，曲面挖槽精加工与等高线精加工在操作步骤上和粗加工基本上一致。因等高线精加工在设置层高时可以选择层高自适应，所以在边缘处曲率较大的地方等高线精加工的走刀路线明显更密集一些，如图7和图8所示。加工的表面质量明显要比曲面挖槽精加工要好很多。

通过上面几条刀路的对比，采用Mastercam对该零件进行曲面挖槽粗加工，然后再采用CAXA制作工程师进行精加工，即可以加快开粗的速度，又可以有较高的表面质量。从而最终加工出一个合格零件。

四、Mastercam和CAXA制作工程师的综合运用

在曲面粗加工时，尽量采用Mastercam曲面挖槽粗加工方式，而不是采用等线粗加工方式，这种粗铣效率高。粗铣后的曲面类似于山坡上的梯田。台阶的高度由粗铣深度而定。精铣的目的是铣掉“梯田”的台阶，采用CAXA制作工程师自动编程，保证整个曲面的加工精度。针对不同的曲面采用不同的精加工刀路，在有圆角过渡的平坦曲面用扫描线精加工刀路和曲面区域精加工刀路，加工到圆角过渡处会有踩刀和震刀现象，加工完还要对其圆角过渡之间进行补加工，对工件的加工精度很难保证。采用三维偏置精加工刀路能够对圆角过渡面与主体面一次加工出来，不存在接刀痕影响工件的表面粗糙度。

五、结语

数控机床在加工曲面成型零件具有明显的优势。根据不同的零件特征，灵活运用两种或多种加工方法，只要不断探讨、总结、比较，从而能够很好地制定出合理的加工工艺，最终对有效提高加工质量与加工效率具有良好的发展趋势。

参考文献：

[1]数控铣工（高级）[M].北京：中国劳动社会保障出版社出版，2008.

[2]数控机床编程与操作[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]数控加工工艺[M].北京：机械工业出版社，2010.