0 引言

當今社會，復(fù)雜曲面在航空、汽車、造船、模具、玩具及制鞋工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。許多零件的外形，如飛機機翼或汽車車身、各種葉輪或渦輪的葉片、汽車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)雜形狀零件對其加工技術(shù)提出了越來越高的要求，如何實現(xiàn)復(fù)雜曲面零件的切削加工是該類零件生產(chǎn)制造過程中普遍面臨的重要問題。

數(shù)控加工是CAD/CAM系統(tǒng)中的重要模塊之一，也是對復(fù)雜曲面行之有效的加工手段。對縮短該類產(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，尤其是對于模具等批量小、變化快、型面復(fù)雜和精度要求高的產(chǎn)品，其經(jīng)濟效益最為突出。

當前，適用于復(fù)雜曲面數(shù)控加工的數(shù)控編程軟件較多，常見的有MasterCAM、Pro/E、NX、Solidworks、Cimatron等。作為國內(nèi)外通用的大型CAD/CAM系統(tǒng)軟件，MasterCAM把計算機輔助設(shè)計和制造功能有機地結(jié)合起來，不僅能方便地實現(xiàn)型腔銑削、輪廓銑削以及電位加工，還具有強大的曲面粗、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法實現(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軟件對復(fù)雜曲面CAD模型進行數(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行了有益的探討。

1 三維實體建模

MasterCAM軟件提供了強大的造型功能，可設(shè)計出復(fù)雜的曲線、曲面以及各類三維實體模型，因而可利用自身的CAD模塊來完成零件的三維造型；系統(tǒng)還提供了DXF、IGES、DWG、CADL、STL等標準圖形接口，可簡易方便地實現(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，還可通過軟件提供的ASCII接口把通過三坐標測量儀等設(shè)備測得的實物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)的圖形文件。在實際生產(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)生標準的PET塑料。加工實踐中，該零件不是直接切削加工制成，而是需通過塑料模具應(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，既費時費力又不能保證零件的加工精度。針對該零件的加工特點，采用MasterCAM軟件進行數(shù)控程序編制，所設(shè)計的數(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)控加工的工藝過程設(shè)計。

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)中選取輪廓曲線進行二維輪廓銑削。最大銑削深度10mm，采用分層銑削方式。進刀高度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行加工路徑設(shè)計，分曲面粗加工和曲面精加工。復(fù)雜曲面銑削加工時，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始加工，防止刀具直接進入工件材料。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，對于飲料瓶模具型腔這種復(fù)雜曲面分別采用上述工藝進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曲面相交位置進行加工以清除殘料的加工方式。采用直徑5mm的球頭銑刀進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，需要進行相應(yīng)的刀具軌跡仿真，以驗證刀具軌跡的合理性。在這里，利用MasterCAM軟件帶有的實體切削仿真功能可對實際的銑削加工過程進行模擬仿真，在此過程中進行刀具干涉檢查，以檢驗生成的刀具軌跡是否滿足實際的加工要求，確保不會出現(xiàn)過切、干涉與碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生。圖5通過加工過程仿真驗證了復(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，該軟件提供了一個廣泛的后處理數(shù)據(jù)庫供工程人員使用。不同機床所能識別的數(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MasterCAM軟件自動生成的飲料瓶模具型腔數(shù)控代碼進行必要的后處理后，就能輸送給數(shù)控機床進行加工了。由于邊幅有限，本文僅摘錄部分數(shù)控代碼：

3 結(jié)束語

MasterCAM軟件具有強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例，分析了數(shù)控銑削加工工藝與加工參數(shù)等關(guān)鍵問題，通過合理設(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，通過加工仿真驗證了復(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，達到了預(yù)期的效果，在工程應(yīng)用中具有一定的參考價值。