0 引言

　　随着计算机技术的迅猛发展，工业设计与制造领域的CAD/CAM软件也得到了前所未有的发展，各种三维CAD/CAM软件应运而生，且各具特色，其中美国PTC公司开发的Pro/E软件和美国CNC Software公司开发的MasterCAM软件表现的十分突出。Pro/E软件“参数化”及“单一数据库”的设计理念使产品的设计与更改更加简易、灵活；MasterCAM软件强大的二维、三维加工功能使工程技术人员设计的复杂产品零件更容易实现，其最大特点在于：刀具设置更具人性化，加工思路具体以及与其他软件的数据转换简洁明了，另外其强大的程序后处理功能能够生成当今流行的大部分数控机床数控系统所需要的NC程序，具有很强的实用性，利用MastercAM软件几乎可以完成所有常规的和复杂形状零件的加工，目前在国内外它已成为一个大众化的、用户量很大的CAD/CAM应用软件。现以实例形式来阐述Pro/E和MastercAM软件两者相结合在零件三维造型及数控加工中的应用。

1 零件图样分析

　　材料为#45钢。由图1可知，该零件的结构比较复杂，具有平面、凸台、孔、封闭式长窄槽、圆弧面和凹球面等特征。

　　毛坯尺寸：长×宽×高为165mm×165mm×55mm（毛坯6个面已在普通机床上加工好）。

　　该零件各加工部位精度为IT6-8级，表面粗糙度要求为Ra3.2μm。由于零件的形状和结构比较复杂，需保证以下几个精度：3-φ10+0.030均布通孔的尺寸精度、3个均布通孔的位置精度、尺寸φ100-8.02，高度尺寸38±0.02，30±0.02，10±0.02，5±0.02，2±0.02及1个平行度公差要求等。

2 三维建模

　　鉴于Pro/E软件的建模特点（在Pro/E软件中任何复杂的机械零件，都可以看成是一些简单的特征经过相互的叠加组合而成）十分出色，应用该软件对零件进行三维建模。建模过程如下：1）根据零件图绘制二维草绘设计图，灵活选用标注和约束参照；2）运用拉伸、旋转、阵列等命令创建基础实体特征；3）在基础实体特征上添加孔、沟槽、倒圆角等特征。

　　保存文件：将此完成的“.prt”文件在Pro/E主功能菜单的文件——保存副本中以.igs格式进行保存（方便后面将其导入到MasterCAM中加工）。

3 加工工艺分析及加工方案拟定

　　该零件的加工表面较复杂，凸、凹面、浅平面和斜陡面兼有，MasterCAM软件提供了10多种曲面精加工方法，但想要用一种精加工方式把多特征的曲面一次加工出来存在较大困难，即使能加工出来也无法同时保证平面与斜面的加工品质，使零件局部品质达不到要求，故采取分区域加工的方法（即将浅平面与斜陡面分开加工）。此外，还要合理选择刀具，优化走刀路径，减少提刀、空刀及不必要的重复路径，在改善加工品质的同时使加工效率也有所提高。该零件加工难点在于：浅平面与斜陡面的加工、凸出曲面与相接平面间的清角。

　　a)对于浅平面（中间凹球面）与斜陡面（凸出曲面），根据MasterCAM精加工方法的刀路特点，斜陡面采用等高外形刀路加工较合理，中间凹球面则采用3D环绕浅平面精加工。

　　b)而对于凸出曲面与相接平面间的清角，常有以下几种加工方法：1）使用交线清角加工，刀具选择半径不能太大，由于交线清角只能沿曲面交线的地方走一刀，若精加工所用刀具半径太大，则在两把刀都加工不到的区域留下残料。2）使用放射状加工，设置起始补正距离，设定切削范围，只加工残料区域，此方法能够达到加工品质的要求，但加工路径往返较多。3）使用环绕等距或等高外形加工，通过设置切削深度限定加工区域可去除全部残料，路径连续、抬刀少，能够达到表面品质要求且效率高。通过以上分析，加工时选择环绕等距或等高外形刀路更为合理。

　　对于图1所示零件而言，用球刀精加工凸出曲面之后会在该曲面与相接平面间相交的部位留下对应圆角（即φ3mm的球刀，其对应圆角为1.5mm）；凸出曲面与相接平面成100°，交线清角将无法去除全部余量。因此可选用环绕等距或等高外形刀路，用切削深度限定加工区域，仅加工有残料的地方。此处残料高度为精加工所用刀具刀尖圆弧半径，故切削深度范围略大于此半径的值即可，刀具则选用平刀清角。

　　c)确定加工方案：首先开粗加工、其次半精加工、再精加工，最后清角加工。精加工内容为：1）对于中间凹进去区域，有浅球面以及凹槽（槽底圆角R为3mm），可用3D环绕浅平面精加工和2D外形铣削；2）对于中间凸出区域，有五个等宽度的槽、圆弧面、3个凸台，可用2D（挖槽）和等高外形精加工，相同路径可进行复制；3）凸出曲面与相接平面间的清角，选用等高外形加工，设置深度去除全部残料。另外，3个φ10+0.030均布通孔的位置精度要求比较高，又是直径较小的孔，故需采用打中心孔（定位）-预钻孔-扩（铰）孔的方案。

4 加工前的准备

　　4.1 机床选择

　　因该零件加工起来较复杂故根据现有设备，选择型号为VMC600的数控加工中心（FANUC系统），因有自动换刀功能，从而可以提高生产效率，减少辅助工时。

　　4.2 零件的装夹

　　因该零件毛坯形状规则，且尺寸不大，采用平口钳装夹。

　　安装时要使零件的基准方向和z，y，z轴的方向相适应，保证切削时刀具不应碰到夹具和工作台；另外，为方便后面加工三个通孔应在毛坯下方的适当位置放置垫块，防止钻削通孔时将平口钳钻坏，然后再将零件夹紧。

　　装夹示意图见表1。

　　4.3 图形导入

　　在MastercAM中打开已保存的该零件的.igs格式文档，方法：主菜单-文档-文档转换-IGES-读取，同时将导入的图形转为实体，并进行相关的辅助处理（如画边界线等），进行工作设定：（工件原点设在毛坯上方的中心位置）。

5 刀具路径设计及加工过程实施

　　a)实体挖槽粗加工：刀具选择：选择φ16mmR1.0的圆鼻刀，材料为高速钢。

　　曲面加工参数的设置：预留精加工余量0.2mm，采用螺旋式下刀。 

　　b)2D外形铣削：对中间φ35凹槽铣底平面及侧壁，刀具选用φ8R3mm的圆鼻刀，参数设置图略。

　　c)3D环绕浅平面精加工：选用φ6mm的球刀对中间凹球面进行精加工，加工余量为0mm，主轴转速和进给速度适当提高。

　　d)2D挖槽加工：选用φ6mm的平刀，选择一个槽的边界线进行2D挖槽，此处只需建立一个槽的刀具路径再对其路径进行复制，即可获得5个槽的刀具路径。参数设置图略。

　　e)等高外形半精加工：选用φ6mm的球刀对中间突起的曲面（斜陡面）进行半精加工，使精加工余量更加均匀，余量为0.1mm，主轴转速和进给速度适当提高。相关参数设置见图7所示。

　　f)等高外形精加工：选用φ3mm的球刀对中间突起的曲面（斜陡面）进行精加工，余量为0mm，主轴转速和进给速度适当提高。从而使曲面光滑整洁，达到所需品质要求。相关参数设置如图8。

　　g)利用2D挖槽和平行铣削的方式对底面和凸台平面平面进行精加工，仍选用φ16R1.0mm的圆鼻刀（换新刀片后），参数设置图略。

　　h)对3-φ10+0.030均布通孔加工，采用打中心孔（定位）-预钻孔-扩（铰）孔的方案，选择表1中所选刀具进行加工，因方法较简单，此处不再赘述。

　　i)曲面与相接平面的清角加工：由图9可知在凸起曲面与平面交接的地方还有少量残料，故此局部可用φ6mm的平刀通过等高外形（限定深度）的加工方法将其去除。

6 结语

　　随着信息化技术的飞速发展，产品开发设计、加工制造的周期越来越短，这就要求企业必须采用先进的CAD/CAM技术。Pm/E，MasterCAM等先进的CAD/CAM软件的应用为产品研发和制造提供了强有力的技术支持，尤其是通过结合这两款软件的特点，可以充分发挥其各自优势，找到最佳的设计和加工方案，提高产品设计与加工的品质与效率。