基于CAXA制造工程师的复杂曲面造型及数控加工

0 引言

　　随着数控技术的普及及程度不断提高，数控加工技术在我国得到日益广泛的使用，越来越多的零件采用数控加工。而如何进行数控加工程序的编制成为影响数控加工效率及质量的关键。传统的手工编程方法还是基于 2D 的平面图零件，由程序员直接以 G 代码进行编程，此过程比较复杂、烦琐，易于出错，难于检查，不能充分发挥数控机床的功能。故只适合于一般简单零件的加工，如直线、平面、回转体及点位加工。而对于形状复杂的零件，其形状多为自由曲面，采用手工编程方法基本上无法编制其加工程序。

　　近年来，随着计算机技术的发展，基于 CAD/CAM 技术进行图形交互的自动编程方法日趋成熟。这种方法速度快、精度高、使用方便、便于检查。CAXA 制造工程师就是集 CAD/CAM 技术于一体的软件。它提供了从造型设计到形成刀路轨迹、仿真加工、代码生成、代码检验、机床设置、工艺清单等全面解决方案，已广泛应用于各种领域。用户可以利用该软件生成零件的 NC 程序，输入至数控机床进行加工。其加工过程为：

图 1 加工过程

　　现以吊钩为例，介绍利用 CAXA ME 软件实现复杂曲面的造型及其数控加工。

1 吊钩凹模型腔的三维造型过程

　　1.1 吊钩凹模型腔的造型思路 吊钩的主体部分曲面

　　形状比较复杂，根据其曲面特点，无法采用实体造型，而采用 CAXA 制造工程师中的曲面造型功能来做：其柄部的平面采用直纹面中的曲线 + 曲线功能做；吊钩尖端部位的球面采用旋转面来做；中间部位的复杂曲面则由网格面来做，采用这几种曲面来造型的好处就是加工时可以一同用参数线加工。整个造型过程分为生成轮廓线、生成六条截面线和生成各部分曲面三个步骤。其中六条截面线包括图纸给定的四个截面图轮廓线、吊钩柄部的 55 半圆弧和吊钩尖端部位的工艺圆弧。最后以三张曲面的上口为准，利用实体造型构造一个立方体实体，再利用曲面裁剪功能把三张曲面所包括的实体部分裁剪掉，就可得到要求的吊钩凹模型腔。

　　1.2 吊钩凹模型腔的曲面造型

　　①生成轮廓线和截面线。 根据图 2 所示平面图绘制吊钩的轮廓线和截面线。为满足铣削工艺要求，将轮廓线绘制在 xoy 坐标平面内，即将工件坐标系设定在零件上表面。先以坐标原点为圆心绘制￠85 的圆，然后根据图中内切、外切的几何关系绘制出全部轮廓线和截面线。将截面线通过组合、旋转 90°生成网格面，使之成为另一方向的曲线，从而得到构造网格面所需的全部线架。

图 2 吊钩平面图

　　②生成网格面。调整视图，单击“网格面”按钮，依次拾取 U向截面线（即两根轮廓线），右键确认；再依次拾取 V 向截面线（即六根 90°方向的截面线），右键确认，则可生成网格面。

　　③生成旋转面和直纹面。吊钩柄部平面可用直纹面“曲线 + 曲线”来做，尖端部分球面可用旋转面来做，这样做的好处是在加工时，这三张面（直纹面、网格面、旋转面）可一同用参数线来加工。

　　将其余线框全部隐藏掉，得到吊钩的曲面造型。

　　1.3 曲面与实体混合造型 以构成吊钩曲面的三张曲

　　面的开口面为准，通过实体造型生成一个立方体（包围住三张曲面），再通过曲面裁剪，以三张曲面为界，把曲面内部不需要的实体部分裁剪掉，就得到所需要的吊钩凹模型腔，如图 3 所示。

图 3 吊钩凹模造型

2 吊钩模具的加工及刀具轨迹

　　根据吊钩模具曲面形状的特点，用普通铣床难以进行粗精加工，故采用 CAXA 制造工程师，通过设置参数，产生刀具轨迹，仿真加工检验后，生成 G 代码，再输入数控铣床完成加工。加工方式为粗加工采用等高线粗加工方式，可以尽快去除毛坯材料，为精加工留有 1mm 的加工余量；精加工采用参数线精加工方式进行。

　　2.1 定义毛坯和设置加工边界

　　定义毛坯。选择毛坯定义方式为“参照模型”，根据模型确定毛坯的大小，毛坯为一个立方体。设置加工边界。单击“相关线”命令，选择“实体边界”，移动鼠标拾取吊钩凹模的边界，生成加工边界。

　　2.2 生成粗精加工刀具轨迹

　　①等高线粗加工及刀具轨迹。粗加工方式选择“等高线粗加工”，设置粗加工的各项参数，根据提示拾取毛坯和加工边界，确认后可得出粗加工轨迹，如图 4 所示。

图 4 粗加工走刀轨迹

　　②参数线精加工及刀具轨迹。 精加工方式选择“参数线精加工”，设置精加工的各项参数，行距定义方式选为“残留高度”方式，高度值为 0.01，点击确定。根据提示，移动鼠标依次拾取吊钩型腔内部的各段被加工曲面，拾取结束，右键确认；再以吊钩柄部边界处一端点为下刀点，选择进刀方向，确认，稍后可得出精加工轨迹，如图 5 所示。

图 5 精加工走刀轨迹

3 刀具轨迹仿真检验与修改

　　对“等高线粗加工”和“参数线精加工”轨迹分别进行仿真加工。仿真过程中，可选择刀具走刀速度，以便更好的观察加工过程和加工效果。

　　对于用哪一种方式来生成刀具轨迹，要根据工件的具体情况，不能一概而论。对于本例吊钩曲面来讲，选用参数线进行精加工效果较好。最终加工效果的好坏，是一个综合性的问题，它决定于工件、刀具的材料，参数的设置、工艺安排、机床特性等，各种因素配合好了才能加工出符合要求的工件。

4 G代码和工艺清单的生成

　　4.1 生成G代码分别拾取“等高线粗加工”和“参数线精加工”轨迹，对其生成 G 代码文件。

　　4.2 生成加工工艺清单 选中全部“刀具轨迹”，右击，选择“工艺清单”，输入零件名称、编号等信息，选择文件保存路径，单击框中“生成清单”，稍后，弹出“HTML”格式的工艺单文件，关闭，单击确定，则工艺清单生成。至此，吊钩从造型到生成 G 代码、工艺清单全部过程已做完，再选择好相应的数控机床和操作系统，通过局域网把 G 代码、工艺清单输入机床，先进行对刀，然后就可以开始加工了。

5 结语

　　用 CAXA 软件进行建模和自动编程，能大大减少编程人员的工作量，省时省力，尤其是对复杂模具的程序编制，其优势更为明显，编程结果更为直观，通过仿真检验和刀具干涉检查，使程序编制一次成功，节省了大量的机床调试和试切时间，既提高了加工效率，又保证了零件的表面质量和加工精度，可取得良好的经济效益。