复杂曲面的三维造型及数控加工

引言

　　现阶段，越来越多的机械零件都采用了数控加工，但加工方往往还是先用二维设计软件进行基于2D的平面图零件设计，然后由程序员（或工艺人员）用G代码进行NC手工编程。这种方法适用于一般简单零件的平面加工、直线加工、回转体加工以及点位加工。其编程速度较快，代码简洁，然而对于几何形状复杂，特别对非圆曲面的加工，上述编程方法就显得十分困难了。

　　随着CAD技术的日益发展，自动编程系统的日趋完善，编程方法逐渐过渡到集设计与加工于一体的CAD/CAM自动编程。CAXA制造工程师就是集CAD/CAM于一体的软件，其为数控加工行业提供了从造型设计、刀径轨迹生成、加工仿真和G代码的生成等一体化的解决方案，现已广泛应用到数控加工领域。用户可以利用零件设计模块（CAD模块）进行几何图形的绘制，通过零件加工模块（CAM模块）生成刀具路径，经过后处理生成G代码（NC程序），传送到相应的数控机床中进行加工。现以可乐瓶底的凹模型腔为例，介绍利用CAXA制造工程师软件，来实现复杂曲面的三维造型及数控加工。

一、可乐瓶底凹模型腔的三维造型设计过程

　　1、构建思想

　　可乐瓶底部是较为复杂的曲面，它由5个完全相同的部分组成，它可利用CAXA制造工程师的网格面功能来构建曲面。关键是如何构建网格面的线架结构，然后根据网格面的创建条件，选取U和V方向的元素，生成侧面的网格面；最下面小圆面利用直纹面（点+曲线）来完成。最后，以瓶底的上口为基准，构造一个长方实体，用侧面（网格面）和底部小圆面（直纹面）把不需要的部分裁剪掉，就得到可乐瓶底凹模型腔。

　　2、曲面造型

　　1）绘制截面线。仔细分析图样，按F9将绘图平面切换到xoz面，绘制截面线；然后删去顶、底两线段，把截面线分别进行曲线组合，通过圆形阵列（5份），得到10条曲线；并利用圆心+半径绘制出φ85和φ16两圆；最后，利用网格面的功能，创建可乐瓶底部的曲面，最下面小圆面利用直纹面（点+曲线）来完成。

　　3、型腔造型

　　可乐瓶底凹模型腔是通过曲面裁剪实体得到的。本例中，以坐标原点O为中心，在XOY内作100×100的正方形，作为草图，经过拉伸增料（高50）得到实体。利用已经完成的曲面去裁剪正方体，注意网格面的箭头方向应朝里，就得到了可乐瓶底凹模型腔造型。

二、可乐瓶底凹模型腔的粗、精加工及刀径轨迹

　　由于型腔的曲面是复杂曲面，普通铣床难以加工，可以利用CAXA制造工程师，生成G代码后，输入数控机床来完成加工。可乐瓶底凹模型腔的整体形状比较陡峭，在加工时，粗加工一般采用等高粗加工方式，然后采用参数线加工方式对凹模型腔内的曲面进行精加工。

1、等高粗加工及刀具轨迹

选择“应用” →“轨迹生成” →“等高粗加工” 命令，弹出“粗加工参数表”对话框，在“粗加工参数”选项中设置各项参数。

毛坯类型选择“拾取轮廓”，根据左下方状态栏的提示拾取轮廓，然后拾取曲面。曲面全部拾取完之后，按右键确认后系统开始计算，稍候，得出轨迹。为了能方便地观察精加工轨迹，一般把粗加工轨迹隐藏掉。

　　2、参数线精加工及刀具轨迹

　　精加工采用参数线精加工。选择“应用” →“轨迹生成” →“参数线加工” 命令，弹出“参数线加工参数表”对话框，在“参数线加工参数”选项中设置各项参数。

　　根据左下方状态栏的提示拾取曲面，当鼠标移到型腔内时，曲面将自动被加亮，拾取同一高度的两张面后，按右键确认后系统开始计算，稍候，得出轨迹。

三、刀径轨迹仿真

　　单击“线面可见”按钮，显示已生成的所有加工轨迹，拾取粗加工轨迹，按右键确认。选择“轨迹仿真”命令，选择“拾取两点”方式，拾取粗加工轨迹和精加工轨迹，按右键确认。然后拾取模具的两对角点，系统将立即进行加工仿真。加工仿真是现代数控加工一大优势，在仿真过程中，可以模拟加工状态，检查干涉现象，确保实际加工的准确性。仿真检验无误后，单击“文件”→“保存”，保存粗加工和精加工轨迹。

四、生成G代码和加工工艺单

　　1、生成G代码

　　选择“应用” →“后置处理” →“生成G代码” 命令，弹出“选择后置文件”对话框，填写加工代码文件名“可乐瓶底凹模型腔粗加工”，单击“保存”。拾取粗加工轨迹，按右键确认，即可生成粗加工G代码并保存。用同样的方法，可生成精加工G代码并保存。

　　2、生成加工工艺单

　　选择“应用” →“后置处理” →“生成加工工艺单” 命令，弹出“选择HTML文件名”对话框，输入文件名“可乐瓶底凹模型腔加工”，单击“保存”。拾取粗加工轨迹和精加工轨迹，按右键确认，即可生成加工工艺单。

　　至此，乐瓶底凹模型腔的造型、粗、精加工的刀径轨迹及仿真、G代码的生成、加工工艺单的生成等过程都已完成，只要把G代码输入到数控机床，校正好工件，就可以加工了。

五、结语

　　利用CAXA制造工程师软件，可以自动完成零件的建模和G代码的生成，大大降低编程员的工作量。特别是复杂曲面的数控编程，用手工编程几乎无法实现，利用CAXA其优势就相当明显，免去了繁杂的数值计算，并可以通过仿真加工和刀具干涉检查，确保所编程序的一次成功，既缩短零件的生产周期，又可以确保零件表面质量和加工精度，提高了工作效率，能为企业创造出良好的经济效益。