MasterCAM在复杂曲面数控铣削加工中的应用研究

0 引言

当今社会，复杂曲面在航空、汽车、造船、模具、玩具及制鞋工业等领域中的应用越来越广泛。许多零件的外形，如飞机机翼或汽车车身、各种叶轮或涡轮的叶片、汽车外覆盖件的冲压模具、内饰件的注塑模具等都是复杂曲面。日益增多的复杂形状零件对其加工技术提出了越来越高的要求，如何实现复杂曲面零件的切削加工是该类零件生产制造过程中普遍面临的重要问题。

数控加工是CAD/CAM系统中的重要模块之一，也是对复杂曲面行之有效的加工手段。对缩短该类产品的制造周期、提高加工精度、降低生产成本等方面具有明显的优势，尤其是对于模具等批量小、变化快、型面复杂和精度要求高的产品，其经济效益最为突出。

当前，适用于复杂曲面数控加工的数控编程软件较多，常见的有MasterCAM、Pro/E、NX、Solidworks、Cimatron等。作为国内外通用的大型CAD/CAM系统软件，MasterCAM把计算机辅助设计和制造功能有机地结合起来，不仅能方便地实现型腔铣削、轮廓铣削以及电位加工，还具有强大的曲面粗、精加工功能。采用MasterCAM软件不仅能大大提高数控编程效率，而且还能编制出手工编程无法实现的复杂曲面的NC程序，因而大受使用者欢迎，并已在复杂曲面零件的加工制造中获得了良好的应用效果。基于此，本文以典型复杂曲面——饮料瓶模具型腔表面的数控铣削加工为例，阐述如何在数控铣床上利用MasterCAM软件对复杂曲面CAD模型进行数控加工编程，并就数控铣削加工中加工精度的保证和加工效率的提高等方面进行了有益的探讨。

1 三维实体建模

MasterCAM软件提供了强大的造型功能，可设计出复杂的曲线、曲面以及各类三维实体模型，因而可利用自身的CAD模块来完成零件的三维造型；系统还提供了DXF、IGES、DWG、CADL、STL等标准图形接口，可简易方便地实现其他CAD软件生成的图形与系统图形文件间的转换；此外，还可通过软件提供的ASCII接口把通过三坐标测量仪等设备测得的实物数据转变成系统的图形文件。在实际生产中应根据具体情况采用适合的方法完成零件的造型。图1所示的饮料瓶零件的三维造型是通过软件CAD模块建立的。

图1 饮料瓶3D模型

2 复杂曲面数控铣削工艺

饮料瓶材质要求使用不会溶出有害物质、耐油、耐酸碱和耐老化的符合食品卫生标准的PET塑料。加工实践中，该零件不是直接切削加工制成，而是需通过塑料模具应用吹塑工艺成型。由于塑料瓶模具型腔属于典型的复杂曲面，具体表现为曲面造型复杂、有凹有凸、死角多，表面曲率大小不一，加工工艺复杂。用普通铣床难以完成该零件型腔的加工。在数控铣床上采用手工编程，既费时费力又不能保证零件的加工精度。针对该零件的加工特点，采用MasterCAM软件进行数控程序编制，所设计的数控加工工艺如下：

根据饮料瓶模具的几何尺寸，选择一个尺寸为120×230×50mm可由立式数控铣床加工的工件。

表1是其数控加工的工艺过程设计。

2.1 二维轮廓铣削

为了铣削出饮料瓶模具的外表面，选择直径20mm的平铣刀，在工作区中选取轮廓曲线进行二维轮廓铣削。最大铣削深度10mm，采用分层铣削方式。进刀高度10mm，退刀参考高度50mm。

2.2 粗加工

因饮料瓶模具型腔为复杂曲面，在此选用MasterCAM软件带有的曲面加工模块进行加工路径设计，分曲面粗加工和曲面精加工。复杂曲面铣削加工时，粗加工是主要的余量去除方式，约切除70%的加工余量，所耗时间多。因而选择合理、高效的粗加工方式显得尤为必要。这里，粗铣采用挖槽方式，既能快速切掉大部分的毛坯材料，又能使刀具从毛坯外开始加工，防止刀具直接进入工件材料。粗铣中选用直径20mm的平铣刀、采用行切加工方式进行加工。

2.3 半精加工

半精加工选用直径16mm的球头刀、等距环切方式，螺旋下刀，并为精加工预留0.3mm的加工余量。采用球头铣刀及等距环切方式加工都是为了能在加工中更多去除材料，提高加工效率。图2显示了半精加工中的刀具路径。

图2 半精加工刀具路径

2.4 精加工

精加工阶段考虑的主要因素是加工精度，因而在保证加工精度的前提下尽可能提高加工效率。针对此零件，精加工与半精加工设置的加工参数大致相同，但背吃刀量更小。为能得到高质量的加工表面，选用直径为10mm的球头刀，加工参数设置如图3所示。

图3 曲面精加工参数设置

图4显示了曲面平行精加工的刀具路径，可见，对于饮料瓶模具型腔这种复杂曲面分别采用上述工艺进行粗加工和精加工之后的加工效果较为理想，加工效率也高，达到了预期的效果。

图4 曲面平行精加工刀具路径

2.5 清除残料精加工

交线清角精加工是对曲面相交位置进行加工以清除残料的加工方式。采用直径5mm的球头铣刀进行残料精加工可在所有曲面交接处产生精加工刀具路径，以清除前一步精加工中曲面交接处的残料。

2.6 验证和后处理

生成饮料瓶模具型腔的刀具走刀路线后，需要进行相应的刀具轨迹仿真，以验证刀具轨迹的合理性。在这里，利用MasterCAM软件带有的实体切削仿真功能可对实际的铣削加工过程进行模拟仿真，在此过程中进行刀具干涉检查，以检验生成的刀具轨迹是否满足实际的加工要求，确保不会出现过切、干涉与碰撞等现象的发生。图5通过加工过程仿真验证了复杂曲面零件——饮料瓶模具型腔数控加工的正确性。

图5 饮料瓶模具的铣削仿真

后处理器需要将MasterCAM中的刀具路径信息翻译成数控格式，该软件提供了一个广泛的后处理数据库供工程人员使用。不同机床所能识别的数控代码不尽相同，因而所采用的的后处理方式也不尽相同。对MasterCAM软件自动生成的饮料瓶模具型腔数控代码进行必要的后处理后，就能输送给数控机床进行加工了。由于边幅有限，本文仅摘录部分数控代码：

3 结束语

MasterCAM软件具有强大的的三维几何建模功能及数控加工编程能力，可用于复杂曲面铣削加工的数控编程。本文结合饮料瓶表面三维建模及模具型腔铣削加工实例，分析了数控铣削加工工艺与加工参数等关键问题，通过合理设定粗、精加工阶段铣削刀具、切削用量、加工余量、刀具路径等工艺参数，生成了合理的刀具轨迹，通过加工仿真验证了复杂曲面——饮料瓶模具型腔数控加工的正确性。使用该工艺加工效果较为理想，加工效率也高，达到了预期的效果，在工程应用中具有一定的参考价值。