單健君　顧麗敏

采用 MasterCAM X6在 FANUC數(shù)控加工中心上進行花瓣形曲面加工的方法，包括花瓣形曲面的 CAD建模及CAM仿真加工，在 CAM仿真加工時選取三種不同的曲面加工指令生成相應的刀軌路徑及 G代碼，實現(xiàn)曲面的實際加工。對比實際加工時間和加工精度，選擇最佳加工方法。此方法可以推廣至類似復雜曲面的數(shù)控加工中，提高曲面的加工精度和效率。

一、引言

隨著市場對產(chǎn)品造型外觀要求的逐步提高，針對自由曲面的數(shù)控加工場合越來越多，然而傳統(tǒng)的編程加工方法已經(jīng)滯后于現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，因此高精度高效率的自由曲面加工已經(jīng)成為當今制造企業(yè)提高市場競爭力的核心技術。基于 CAD/CAM的新型自動編程加工技術正在全球范圍內發(fā)展并盛行，自動編程加工方法采用逆向工程技術，即首先采用高精度的數(shù)字化測量方法對已存在的實物零件或模型的相關參數(shù)進行測量，并應用 CAM軟件重構零件的 CAD模型后進行計算機輔助分析，通過 CAM軟件中的系統(tǒng)仿真功能加工出實際產(chǎn)品，再對加工出的產(chǎn)品進行檢驗、修改和創(chuàng)新，如對結果不滿意，可重新進行設計、加工和檢驗，直到滿意的過程。

采用 MasterCAM X6軟件對花瓣形曲面進行 CAD建模及 CAM自動編程加工的方法，重點分析了曲面建模和加工過程中的難點及解決的關鍵技術，并結合 FANUC系統(tǒng)的數(shù)控加工中心最終實現(xiàn)了曲面的實際加工，該技術為復雜曲面的數(shù)控加工提供了參考依據(jù)，以達到提高復雜自由曲面加工精度和效率益的目的，提高企業(yè)的市場競爭力。

二、花瓣型曲面的 CAD建模

1.花瓣型曲面的空間線框構造

使用 MasterCAM軟件進行花瓣曲面的 CAD建模設計時，主要任務是構造出成型零件上需要進行數(shù)控銑削加工的特征曲面，因此曲面構造繪圖是零件設計與加工中的重要環(huán)節(jié)，與產(chǎn)品外形特征一致的三維模型才能加工出符合要求的模具零件。繪圖前，要正確理解圖樣要表達的幾何形狀和曲面結構，選用合適的曲面或者實體構造方法。首先切換出三種主要視圖：Top（俯視）圖、Front（主視）圖和 Side（側視）圖，畫出相應位置上的剖面圖，表達出關鍵尺寸，建好線架結構，花瓣型曲面空間線架如圖1所示。

2.花瓣型曲面的空間線框構造

在圖 1的空間線架結構完成的基礎上，利用MasterCAM軟件強大的曲面建模功能進行花瓣曲面的繪制。首先利用旋轉曲面命令創(chuàng)建出空間的花瓣球體基面，再利用“Main Menu”/“Create” /“suface”/“Trimor extend”/“To curves”的線面結合操作把花瓣型主體曲線投影至旋轉面，并進行主體曲面的裁剪操作，曲面裁剪結果如圖2所示。花瓣曲面內部的主體部分則利用命令 “Main Menu”/“Create”/“suface”/“coons”來實現(xiàn)，在利用 coons曲面命令過程中需注意手動選取相關曲線來實現(xiàn)單個花瓣型曲面的創(chuàng)建，在單個曲面完成之后，利用“Main Menu”/“Xform”/“Rotate”功能實現(xiàn)所有花瓣曲面的旋轉復制，結果如圖3所示?；ò曛黧w曲面的縫合處利用“Main Menu”/“Create” /“suface”/“2 surfblnd”進行曲面縫合優(yōu)化處理，底部圓形平面則利用“Main Menu”/“Create”/“suface”/“Trim or extend”/“Flat bndy”平面裁剪進行填補，最終花瓣曲面的效果圖如圖4所示。

三、花瓣型曲面的 CAM加工

1.MasterCAM軟件的數(shù)控加工流程

根據(jù)逆向工程技術的理念，給出 CAM數(shù)控加工的流程圖，如圖 5所示。從流程圖中可以看出，應用MasterCAM軟件進行數(shù)控仿真加工的關鍵在于零件的加工工藝分析及制定，內容包括花瓣型曲面切削方式的選用及加工參數(shù)的設置。

在進行零件的仿真加工結束之后，根據(jù)仿真結果，如果加工精度和效率都能滿足要求，則直接進入后置處理生成 G代碼階段。如果程序冗長，加工效率低，則返回線路

①重新進行工藝分析與制定。如果加工零件表面粗糙，加工精度低，則返回線路②進行刀具軌跡的參數(shù)修改，直至達到精度要求。

2.花瓣型曲面的加工工藝分析及制定

曲面的數(shù)控加工是逆向工程的重要步驟之一，只有通過編程加工出按“點云”數(shù)據(jù)重構的復雜曲面，逆向工程才具有實際意義?；ò晷颓娴那首兓^大，因此將花瓣的主體曲面作為數(shù)控加工編程對象，來研究復雜曲面的數(shù)控自動編程方法。在 MasterCAM軟件中曲面加工刀路類型較多，需要根據(jù)加工對象合理選擇切削方式及參數(shù)設置，其加工刀路中工藝制定的水平原則上決定了曲面的加工精度和加工效率。

（1）工藝分析。

實際切削過程中應用最多的刀路是外形加工、挖槽加工、曲面挖槽加工、曲面平行精加工和曲面等高外形加工。

以上 5種刀路可完成 90%以上的加工任務，其他刀路則使用頻率較低。選用何種刀路，需要從產(chǎn)品結構、計算時間、加工效率以及加工質量等方面綜合考慮。

①在粗加工階段，以花瓣型曲面的加工為例，從計算時間和加工效率方面考慮，以曲面挖槽加工刀路為主?；ò昵嫱獠枯^為平坦，可應用平行精加工刀路以大吃刀量進行粗加工，花瓣型內部曲面在 Z向加工方向上需去除材料較多，因此采用具有垂直側壁的挖槽加工刀路，效率相對較高。

②在光刀（精加工）加工階段，根據(jù)花瓣型曲面的造型特點選擇相應的刀路加工?；ò昵嫱獠渴瞧露容^小的平坦曲面，優(yōu)先選用等高外形刀路，同時需要控制加工高度和加工范圍。花瓣型內部曲面造型較為復雜，控制加工深度已不便于確定出單純適用于平行精加工或等高外形加工的曲面，因此需用平行陡斜面加工來實現(xiàn)。

③在清角加工階段，依據(jù)曲面交線處的特性選擇不同走刀方案?；ò曛黧w曲面縫合處曲面斜度較大，可選用交線清角加工，其計算速度較快，可進行分層銑削。endprint

（2）工藝制定。

花瓣型曲面采用了基于 MasterCAM軟件的 FANUC系統(tǒng)數(shù)控加工中心，根據(jù)上述工藝分析結果，具體加工方案的走刀路線及參數(shù)設置如表 1所示。

3.花瓣型曲面的數(shù)控加工

（1）加工坐標系與毛坯的設定。

曲面加工的初始環(huán)境設置主要包括加工坐標系和坐標原點的確定以及毛坯的尺寸材料設定。在應用逆向工程技術加工復雜曲面時，由于曲面的節(jié)點坐標無法獲得，因此建議將 MasterCAM軟件中系統(tǒng)默認的坐標原點設定為編程的零點，應用 MasterCAM軟件中“Main Menu”/“Xform”/“Translate”可實現(xiàn)坐標系的精確平移。應用 Mastercam軟件中“Main Menu”/“Toolpaths”/“Job setup”，依次設定 X、Y和 Z軸方向上的尺寸，并將坐標原點與毛坯材料的中心頂點處重合。

（2）花瓣型曲面的刀位加工。

根據(jù)表 1確定的曲面加工方案，對不同刀路進行相應的參數(shù)設置。

①粗加工過程中，由于考慮到毛坯在 XY平面的余量較大，不宜一次切削完成，應選用平行和挖槽多次銑削完成，同時 Z軸方向也需要依照輪廓進行多次分層加工，其粗加工后的仿真結果如圖 6所示。

②在精加工和清角加工時，第一刀開始加工時，吃刀量往往比較大，容易引起斷刀、彈刀，這時可以第一層下刀走空刀，盡量在料外邊下刀。在花瓣曲面內外部加工時，刀路水平步距不變的情況下，刀路的垂直步距會隨著坡度的增加而變大。如花瓣主體內部曲面比較陡，在系統(tǒng)缺省角度下加工，會出現(xiàn)兩個面較為粗糙的情況。為避免此現(xiàn)象，在交線清角加工時，將加工角度設為 45°，并限制清角加工的范圍。最終仿真加工效果如圖 7所示。

（3）刀位加工的后置處理。

過切現(xiàn)象是 MasterCAM軟件中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，可能出現(xiàn)在各種刀路的情況下。為了保證 MasterCAM軟件所生成 G代碼的安全性，需要對生成的刀路軌跡檢查和校驗，在各種方位的視角反復檢查。

后置處理過程采用解釋執(zhí)行的原則，即每當讀出刀位文件中的一個完整的記錄，便分析該記錄的類型，根據(jù)記錄類型確定進行坐標變化還是文件代碼轉換，然后根據(jù)所選用的數(shù)控機床執(zhí)行坐標變化或代碼轉換操作，從而生成完整的程序段，直到刀位文件結束。應用 MasterCAM軟件中“Main Menu”/“Toolpaths”/“Operations”/“Post”功能即可生成刀位的 G代碼，并傳輸?shù)綌?shù)控機床進行相應的數(shù)控加工。

四、結語

（1）基于 MasterCAM的花瓣曲面粗精加工的研究過程中，利用 CAD模塊得到仿真圖形，利用 POST后置處理得到刀路 G代碼，根據(jù)曲面造型特點和加工參數(shù)比對，選取最優(yōu)曲面加工方式，得到了加工效率和加工質量的最佳平衡點。

（2）對花瓣型曲面數(shù)控成形工藝分析的基礎上，選擇合適的刀路進行曲面加工。結果表明，曲面挖槽加工在粗加工中顯示了較高的加工效率，平行陡斜面加工和等高外形加工在精加工中取得了較好的效果。利用交線清角加工控制加工軌跡，保證了花瓣曲面在縫合處的精度，實現(xiàn)了整體表面加工質量均勻一致的總體要求。endprint