0 引言

當(dāng)今社會(huì)，復(fù)雜曲面在航空、汽車(chē)、造船、模具、玩具及制鞋工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。許多零件的外形，如飛機(jī)機(jī)翼或汽車(chē)車(chē)身、各種葉輪或渦輪的葉片、汽車(chē)外覆蓋件的沖壓模具、內(nèi)飾件的注塑模具等都是復(fù)雜曲面。日益增多的復(fù)雜形狀零件對(duì)其加工技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件的切削加工是該類(lèi)零件生產(chǎn)制造過(guò)程中普遍面臨的重要問(wèn)題。

數(shù)控加工是CAD/CAM系統(tǒng)中的重要模塊之一，也是對(duì)復(fù)雜曲面行之有效的加工手段。對(duì)縮短該類(lèi)產(chǎn)品的制造周期、提高加工精度、降低生產(chǎn)成本等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于模具等批量小、變化快、型面復(fù)雜和精度要求高的產(chǎn)品，其經(jīng)濟(jì)效益最為突出。

當(dāng)前，適用于復(fù)雜曲面數(shù)控加工的數(shù)控編程軟件較多，常見(jiàn)的有MasterCAM、Pro/E、NX、Solidworks、Cimatron等。作為國(guó)內(nèi)外通用的大型CAD/CAM系統(tǒng)軟件，MasterCAM把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造功能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，不僅能方便地實(shí)現(xiàn)型腔銑削、輪廓銑削以及電位加工，還具有強(qiáng)大的曲面粗、精加工功能。采用MasterCAM軟件不僅能大大提高數(shù)控編程效率，而且還能編制出手工編程無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜曲面的NC程序，因而大受使用者歡迎，并已在復(fù)雜曲面零件的加工制造中獲得了良好的應(yīng)用效果。基于此，本文以典型復(fù)雜曲面——飲料瓶模具型腔表面的數(shù)控銑削加工為例，闡述如何在數(shù)控銑床上利用MasterCAM軟件對(duì)復(fù)雜曲面CAD模型進(jìn)行數(shù)控加工編程，并就數(shù)控銑削加工中加工精度的保證和加工效率的提高等方面進(jìn)行了有益的探討。

1 三維實(shí)體建模

MasterCAM軟件提供了強(qiáng)大的造型功能，可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線、曲面以及各類(lèi)三維實(shí)體模型，因而可利用自身的CAD模塊來(lái)完成零件的三維造型；系統(tǒng)還提供了DXF、IGES、DWG、CADL、STL等標(biāo)準(zhǔn)圖形接口，可簡(jiǎn)易方便地實(shí)現(xiàn)其他CAD軟件生成的圖形與系統(tǒng)圖形文件間的轉(zhuǎn)換；此外，還可通過(guò)軟件提供的ASCII接口把通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等設(shè)備測(cè)得的實(shí)物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的圖形文件。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)具體情況采用適合的方法完成零件的造型。圖1所示的飲料瓶零件的三維造型是通過(guò)軟件CAD模塊建立的。

圖1 飲料瓶3D模型

2 復(fù)雜曲面數(shù)控銑削工藝

飲料瓶材質(zhì)要求使用不會(huì)溶出有害物質(zhì)、耐油、耐酸堿和耐老化的符合食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的PET塑料。加工實(shí)踐中，該零件不是直接切削加工制成，而是需通過(guò)塑料模具應(yīng)用吹塑工藝成型。由于塑料瓶模具型腔屬于典型的復(fù)雜曲面，具體表現(xiàn)為曲面造型復(fù)雜、有凹有凸、死角多，表面曲率大小不一，加工工藝復(fù)雜。用普通銑床難以完成該零件型腔的加工。在數(shù)控銑床上采用手工編程，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又不能保證零件的加工精度。針對(duì)該零件的加工特點(diǎn)，采用MasterCAM軟件進(jìn)行數(shù)控程序編制，所設(shè)計(jì)的數(shù)控加工工藝如下：

根據(jù)飲料瓶模具的幾何尺寸，選擇一個(gè)尺寸為120×230×50mm可由立式數(shù)控銑床加工的工件。

表1是其數(shù)控加工的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)。

2.1 二維輪廓銑削

為了銑削出飲料瓶模具的外表面，選擇直徑20mm的平銑刀，在工作區(qū)中選取輪廓曲線進(jìn)行二維輪廓銑削。最大銑削深度10mm，采用分層銑削方式。進(jìn)刀高度10mm，退刀參考高度50mm。

2.2 粗加工

因飲料瓶模具型腔為復(fù)雜曲面，在此選用MasterCAM軟件帶有的曲面加工模塊進(jìn)行加工路徑設(shè)計(jì)，分曲面粗加工和曲面精加工。復(fù)雜曲面銑削加工時(shí)，粗加工是主要的余量去除方式，約切除70%的加工余量，所耗時(shí)間多。因而選擇合理、高效的粗加工方式顯得尤為必要。這里，粗銑采用挖槽方式，既能快速切掉大部分的毛坯材料，又能使刀具從毛坯外開(kāi)始加工，防止刀具直接進(jìn)入工件材料。粗銑中選用直徑20mm的平銑刀、采用行切加工方式進(jìn)行加工。

2.3 半精加工

半精加工選用直徑16mm的球頭刀、等距環(huán)切方式，螺旋下刀，并為精加工預(yù)留0.3mm的加工余量。采用球頭銑刀及等距環(huán)切方式加工都是為了能在加工中更多去除材料，提高加工效率。圖2顯示了半精加工中的刀具路徑。

圖2 半精加工刀具路徑

2.4 精加工

精加工階段考慮的主要因素是加工精度，因而在保證加工精度的前提下盡可能提高加工效率。針對(duì)此零件，精加工與半精加工設(shè)置的加工參數(shù)大致相同，但背吃刀量更小。為能得到高質(zhì)量的加工表面，選用直徑為10mm的球頭刀，加工參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

圖3 曲面精加工參數(shù)設(shè)置

圖4顯示了曲面平行精加工的刀具路徑，可見(jiàn)，對(duì)于飲料瓶模具型腔這種復(fù)雜曲面分別采用上述工藝進(jìn)行粗加工和精加工之后的加工效果較為理想，加工效率也高，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 曲面平行精加工刀具路徑

2.5 清除殘料精加工

交線清角精加工是對(duì)曲面相交位置進(jìn)行加工以清除殘料的加工方式。采用直徑5mm的球頭銑刀進(jìn)行殘料精加工可在所有曲面交接處產(chǎn)生精加工刀具路徑，以清除前一步精加工中曲面交接處的殘料。

2.6 驗(yàn)證和后處理

生成飲料瓶模具型腔的刀具走刀路線后，需要進(jìn)行相應(yīng)的刀具軌跡仿真，以驗(yàn)證刀具軌跡的合理性。在這里，利用MasterCAM軟件帶有的實(shí)體切削仿真功能可對(duì)實(shí)際的銑削加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，在此過(guò)程中進(jìn)行刀具干涉檢查，以檢驗(yàn)生成的刀具軌跡是否滿足實(shí)際的加工要求，確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切、干涉與碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生。圖5通過(guò)加工過(guò)程仿真驗(yàn)證了復(fù)雜曲面零件——飲料瓶模具型腔數(shù)控加工的正確性。

圖5 飲料瓶模具的銑削仿真

后處理器需要將MasterCAM中的刀具路徑信息翻譯成數(shù)控格式，該軟件提供了一個(gè)廣泛的后處理數(shù)據(jù)庫(kù)供工程人員使用。不同機(jī)床所能識(shí)別的數(shù)控代碼不盡相同，因而所采用的的后處理方式也不盡相同。對(duì)MasterCAM軟件自動(dòng)生成的飲料瓶模具型腔數(shù)控代碼進(jìn)行必要的后處理后，就能輸送給數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工了。由于邊幅有限，本文僅摘錄部分?jǐn)?shù)控代碼：

3 結(jié)束語(yǔ)

MasterCAM軟件具有強(qiáng)大的的三維幾何建模功能及數(shù)控加工編程能力，可用于復(fù)雜曲面銑削加工的數(shù)控編程。本文結(jié)合飲料瓶表面三維建模及模具型腔銑削加工實(shí)例，分析了數(shù)控銑削加工工藝與加工參數(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)合理設(shè)定粗、精加工階段銑削刀具、切削用量、加工余量、刀具路徑等工藝參數(shù)，生成了合理的刀具軌跡，通過(guò)加工仿真驗(yàn)證了復(fù)雜曲面——飲料瓶模具型腔數(shù)控加工的正確性。使用該工藝加工效果較為理想，加工效率也高，達(dá)到了預(yù)期的效果，在工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。