曲面交线CAM加工技术

何建斌，陈路，郭海军

郑州航天电子技术有限公司 河南郑州 450000

1 序言

随着航天事业的飞速发展，高精密零件广泛应用在各类航天产品中，零件的结构也趋于复杂化。为满足设计使用要求，单一零件的轮廓会出现各种曲面、曲线的相交结合，相交处产生的毛刺如果用人工去除的传统方式，则需要使用专用工具，效率低，质量也难以保证。目前CAM软件已广泛应用于各类机械生产线加工中，通过三维建模，优化加工路径，仿真模拟曲面、曲线加工轨迹，同样适用于曲面交线毛刺的去除。CAM软件可根据加工轨迹自动生成匹配机床系统的程序，既可提高编程效率，也提高了加工效率。

2 问题概述

我公司生产各类型航天电连接器、开关，零件结构从简单到复杂。某型号端盖（见图1）为公司开关类产品典型配套零件，由于零件设计结构有多处斜面与圆相交后产生的圆弧毛刺，手工去除不规则毛刺的质量参差不齐，易产生表面划伤，且效率低。随着公司合同量的剧增，需求零件数量随之增多，在保证质量的前提下，提高加工效率和产品合格率势在必行。

图1 端盖

采用机械加工方式去除相交线处毛刺，需要根据不规则的曲线采集轮廓点，计算刀具路径，编程难度加大，如计算加工轨迹与零件轮廓有偏差，则修改程序相当麻烦，导致编程、加工效率不高。

3 分析问题

通过二维和三维图分析，发现端盖上端面四周有3个4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面，4个斜面与4个φ10mm圆孔相交后形成不规则圆弧相交线，铣工工序加工完成后，转入钳工工序去毛刺，手工去除相交线毛刺时，会出现不规则的翻边，需要经过多次反复修刮，操作过程中极易划伤已加工表面，去毛刺质量不一致，也不稳定，效率低。原因在于铣削加工内孔与斜面相交时产生锋利的锐边毛刺，毛刺倒角的大小直接影响相交线的圆滑过渡状态。倒角尺寸小，相交线没有达到圆滑过渡；倒角尺寸大，会产生内孔和斜面的二次翻边毛刺，采用手工方式去除毛刺难以控制质量的一致性。

4 解决问题

4.1 改进加工方法

针对端盖上圆弧相交处的不规则毛刺，为提高去毛刺的质量，保持零件外观的一致性，决定采用机械加工方式去除毛刺，以提高去除毛刺的质量，保持一致性，避免已加工面被划伤。

通过绘制三维图（见图1 b ）模拟3 个4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面与4个φ10mm圆孔相交后形成不规则圆弧相交线，发现在每个斜面形成的圆弧线是4个φ10mm的圆在斜面上的投影。经过计算，由于在斜面上所形成的弧线为规则的椭圆线，因此可以通过旋转45°斜面为水平面，按椭圆线路径加工去除毛刺。

设计专用工装，将零件固定在心轴上，通过旋转实现斜面加工转化为水平面加工。通过理论计算出投影在斜面上的椭圆长轴和短轴尺寸，编制宏程序加工投影椭圆轨迹[1]。宏程序如下。

实际加工中，使用宏程序加工椭圆进行相交线倒角，只能达到近似轨迹的加工，倒角轨迹不能完全拟合相交线轮廓，同样产生二次毛刺，不能完全去除，4孔相交线轨迹不相同，需要编制不同的宏程序，增加编程工作量。调整程序参数时，并不能保证所有相交线的倒角圆滑过渡完全一致。

4.2 改进编程方法

为了能实现斜面和内孔相交线处倒角圆滑过渡一致，决定利用CAM软件建模，仿真模拟轮廓加工轨迹，最大限度拟合轮廓相交线。选用CAXA制造工程师软件，通过CAXA软件三维建模，创建斜面和内孔相交线加工轨迹。选取曲线投影加工（见图2）功能[2]，选择合理的刀具参数及切削参数，自动生成加工路线。通过仿真加工模拟（见图3）验证加工轨迹的正确性，利用CAXA软件后置处理功能自动生成NC程序（见图4），解决不规则轨迹点的计算难题。

图2 曲线投影加工

图3 仿真加工模拟

图4 利用CAXA软件后置处理功能自动生成NC程序

利用CAXA软件的曲线投影加工功能，实现加工轨迹与零件相交线的高度拟合，减少通过近似计算带来的偏差，不需要考虑相交线轨迹取点计算的频次，完全由CAXA软件通过后处理功能计算，形成最优化的NC程序。

实际加工时，只需要根据加工效果进行微调整，修改零件三维模型，仿真，再次自动生成新程序，操作简单且可视化。4个孔与斜面形成不同的相交线，无需编制更多的程序，只需选取相应的轮廓线，就能在同一个后置处理程序内编制完成，极大地提高了编程效率。最终加工的相交线倒角保持了一致性，满足工艺技术要求。

经过验证，设计专用心轴工装（见图5），通过加工中心旋转轴装夹心轴，在心轴上一次装夹4件零件，利用分度头的旋转，将3个4.5mm×45°斜面和8mm×45°斜面依次旋转进行曲线投影加工去除毛刺。

图5 专用心轴工装

设计的专用心轴工装是在4个相互垂直的基准平面上，各加工4个φ5mm的凸台，以MK2-2A端盖上4个φ5mm内孔定位，利用压块压紧零件端面，通过分度头的旋转角度定位进行去毛刺倒角加工[3]。该工装安装简便，保证了加工后的毛刺质量一致性，同时提高了去毛刺的效率。

5 取得的效果

通过此次攻关，积累了曲面相交线毛刺去除的经验，对一些不规则的毛刺去除可以转化为简单的加工方式，同样可以取得很好的效果。设计的专用心轴工装一次能装夹4件零件，安装简便，定位准确，去除毛刺合格率达到100%，提高去毛刺效率50%。工艺改进前后的加工效果对比见表1。

表1 工艺改进前后的加工效果对比

6 新技术的推广应用

利用三维建模CAM加工技术，能有效解决生产过程中的编程计算难题，将设计、工艺和生产相结合，适用于新产品的快速研制。曲面加工应用实例如图6所示。

图6 曲面加工应用实例

7 结束语

本次技术攻关解决了结构复杂、轮廓轨迹难以计算的零件加工难题，引入C A M加工软件如CAXA、UG和Mastercam等，利用三维建模分析零件的结构特征，选择CAM软件最适合加工需要的对应功能，通过仿真模拟，验证加工的可行性。借鉴五轴机床加工思路，利用三维视图模拟产生的斜面、弧线，自动生成加工程序，提高编程效率，更直观地去寻找解决问题的方法，将CAM软件更好地应用于自动化生产中并推广应用，提高加工效率，为企业创造更大的经济效益。

专家点评

本例中的端盖类零件有4处斜面与内孔相交，手工去除毛刺的效率较低，机械加工去除毛刺的难度较大。作者引入CAM软件，通过软件的曲线投影加工功能，实现加工轨迹与零件相交线的拟合，借鉴五轴机床加工思路，自动生成加工程序。

文章的创新之处在于CAM数控加工技术在不规则曲面交线中的应用，积累了去除毛刺的经验。利用CAM软件，模拟斜面和内孔相交处的倒角加工路径，自动生成去除毛刺程序，有效解决了曲线计算难题，提高了编程效率。设计专用心轴工装，一次装夹4件端盖，通过分度头的旋转角度定位，实现快速安装，提高了去除毛刺的效率。对于精密零件的曲面相交线倒角加工起到了很好的指导作用。