甘文峰

摘要：由于交互式CAD/CAM系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、CNC加工等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，一體化系統(tǒng)在我國(guó)數(shù)控生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。本文基于中望3D系統(tǒng)，圍繞薄壁零件的數(shù)控加工問(wèn)題開(kāi)展深入研究。具體探討此類零件的建模方法、加工工藝選擇、具體加工要點(diǎn)、仿真分析。通過(guò)研究可以確定，在薄壁零件數(shù)控加工方面，中望3D的應(yīng)用能夠顯著提升加工效率和質(zhì)量，能夠?yàn)橥惍a(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：中望3D;薄壁零件;CAM;刀軌規(guī)劃

引言

薄壁零件通常是指具有型腔框架，但是在某一個(gè)方向或者多個(gè)方向存在小尺寸結(jié)構(gòu)的零件。在機(jī)械領(lǐng)域，薄壁零件通常是基于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)構(gòu)空間受限，或者是產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)等原因產(chǎn)生的。由于零件的結(jié)構(gòu)剛度不足，尺寸偏小，材質(zhì)偏軟，傳統(tǒng)加工方式容易出現(xiàn)定位不準(zhǔn)和加工變形問(wèn)題，對(duì)生產(chǎn)效率及加工質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響。本文以某小型設(shè)備的散熱風(fēng)扇底板為例，基于中望3D分析如何設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)此類零件。在Overdrive引擎的支持下，對(duì)樣件進(jìn)行三維實(shí)體建模，優(yōu)化工序參數(shù)，規(guī)劃銑削加工方案，生成鉆孔刀軌，并進(jìn)行加工仿真，為薄壁零件的數(shù)控加工提供參考。

1?零件建模及工藝分析

1.1?零件實(shí)體建模

如圖所示，是客戶廠商的散熱底板樣件，材質(zhì)為鋁合金。該零件為典型的薄壁零件，整體形狀為扁平框架結(jié)構(gòu)，平面外觀呈直角三角形。從正面看，具有四個(gè)薄壁深腔，其中有兩個(gè)腔鏤空至背面。正面還有若干個(gè)螺紋孔，用于定位和安裝。從背面看，具有淺腔和淺槽，并在表面附帶型號(hào)雕刻字樣：MODEL?PART?389。本實(shí)例的建模全部通過(guò)中望3D完成，使用到草圖繪制、拉伸、陣列、布爾合并等實(shí)體操作功能。可見(jiàn)，使用中望3D可以快速實(shí)現(xiàn)薄壁零件的創(chuàng)建。

1.2?加工工藝分析

對(duì)零件形狀進(jìn)行分析，可以確定整體形狀高度為15mm，寬165mm，長(zhǎng)166mm。零件在水平方向壁厚最薄處為5mm，豎直方向壁厚最薄處為4mm，屬于中小尺寸薄壁零件?？紤]到工件正反面都需要加工，毛坯備料為180mm×180mm×30mm的方料，保證正反兩個(gè)表面均有7.5mm的坯料余量。在裝夾方面，由于在右下角存在異形突起，右側(cè)邊緣不齊整，影響了精密平口鉗的正常夾持。同時(shí)觀察到，零件中部具有加強(qiáng)筋提供左右方向的抵抗力，我們決定采用多塊矩形板，分別壓在零件右側(cè)，以及墊在毛坯底部。該裝夾方法可以防止在加工后期因?yàn)榱慵偠认陆狄饖A持不穩(wěn)、工作變形、加工抖動(dòng)等問(wèn)題。完成正面加工后，需要將工件翻轉(zhuǎn)180度進(jìn)行反面加工。翻轉(zhuǎn)后同樣以矩形板墊在底部，并采用壓板固定四周。打表找到X軸和Y軸，粗銑表面至5mm作為Z方向原點(diǎn)。

2?薄壁零件工序安排

結(jié)合上文基于中望3D的三維實(shí)體建模及加工工藝分析，以下對(duì)該散熱板零件針對(duì)性地開(kāi)展工序安排，正反兩面銑削加工，后置處理以及數(shù)控代碼輸出。主要涉及到的工序流程包括正反面開(kāi)粗和二粗、內(nèi)腔與槽的半精加工、內(nèi)腔與槽的精加工、內(nèi)壁與底面的清角加工、文字雕刻。選用的刀具分別為Ф12mm平銑刀、Ф8mm平銑刀、Ф4mm平銑刀、Ф1mm球頭刀、M4鉆頭，轉(zhuǎn)速分別為6000r/min、8000r/min、8000r/min、8000r/min、10000r/min、8000r/min，進(jìn)給速度分別為2500mm/min、1800mm/min、1800mm/min、1800mm/min、2000mm/min、2000mm/min，切深分別為0.70mm、0.10mm、0.05mm、0.02mm、0.05mm。

2.1?正面加工要點(diǎn)

針對(duì)散熱底板的正面形狀特征，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，詳細(xì)設(shè)定如下四個(gè)加工工序流程。

1）正面開(kāi)粗與二粗加工。為了在保證安全的前提下，盡可能快速完成大量材料清除，第一次開(kāi)粗選用“光滑流線粗加工”策略，生成類似擺線的刀軌樣式，利用刀具側(cè)刃多層漸進(jìn)地加工毛坯材料。相應(yīng)工序參數(shù)的設(shè)定也比較進(jìn)取，選擇較大直徑的Ф8mm平銑刀、較深的切深0.70mm、以及步距65%。緊接著，利用“參考工序”功能，基于開(kāi)粗的殘留余料，選用Ф8mm平銑刀進(jìn)行二粗。最后得到底面余量0.2mm，側(cè)邊余量0.3mm。

2）內(nèi)腔側(cè)面與底面精加工。由于該零件內(nèi)腔沒(méi)有拔模斜度，為了保證刀軌精度和加速運(yùn)算，我們采用2.5軸多層加工方法，經(jīng)過(guò)半精銑和精銑加工至目標(biāo)表面。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)內(nèi)腔側(cè)面，采用“二維輪廓加工”，選用Ф4mm平銑刀刀具，分三層漸進(jìn)，每層步距0.10mm。最后一圈清邊刀軌步距0.05mm，加工至余量為零。對(duì)內(nèi)腔底面，選用“二軸螺旋切削”和Ф4mm平銑刀刀具，切深0.05mm，步距45%，加工到位。

3）內(nèi)腔清根清角加工。腔體側(cè)壁之間以及側(cè)壁與底面的連接處，會(huì)殘留少量的材料，影響成品精度。采用“參考刀具”功能，以精加工刀具為參考，選用“精角加工”工序和Ф1mm球頭刀，自動(dòng)找到邊角位置，生成清根清角刀軌。

4）鉆孔。針對(duì)正面的若干個(gè)安裝孔，選用“鉆孔”工序和M4鉆頭，選擇“就近排序”，一次性完成五個(gè)鉆孔。

2.2?反面加工要點(diǎn)

1）反面開(kāi)粗加工。同理，反面選用“光滑流線粗加工”和Ф8mm平銑刀，以切深0.70mm和步距65%進(jìn)行一粗和二粗，側(cè)面和底面均留下0.2mm余量給半精和精加工。

2）槽精加工。反面的兩處淺槽形狀簡(jiǎn)單，而且加工質(zhì)量要求不高，采用Ф4mm平銑刀以0.05mm切深加工即可。

3）鏤空精加工。鏤空部位大部分材料已被清除，只剩側(cè)面而沒(méi)有底面，需要防止工件剛性不足，采用保守的工序參數(shù)。選用“二維輪廓加工”，選用較小的刀具Ф1mm球頭刀，以0.02mm切深加工到位。

4）文字雕刻。在實(shí)際工程中，多采用廢舊小號(hào)鉆頭當(dāng)作刻字刀具。本次，我們復(fù)用M4鉆頭，以0.05mm深度在表面刻出字樣。

3?后置處理與仿真分析

為了查看刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)程，判斷刀軌水平穿越時(shí)是否安全離開(kāi)毛坯平面，我們使用中望3D“實(shí)體仿真”功能進(jìn)行切削模擬。通過(guò)虛擬刀具和毛坯模擬材料去除，觀察到刀具正常切削，結(jié)果顯示沒(méi)有出現(xiàn)任何干涉。最后將成品材料與原始零件形狀對(duì)比，顯示沒(méi)有過(guò)切或欠切，加工效果符合容差要求。后處理器選用中望3D為西門(mén)子系統(tǒng)標(biāo)配的默認(rèn)Sinumerik_840D.znc配置文件，可以生成適用于德馬吉DMU50加工中心的代碼。它提供了CYCLE800局部坐標(biāo)系指令，為本次零件正反雙面加工提供支持。

4?結(jié)論

綜上所述，通過(guò)在中望3D中建立工件模型，設(shè)置加工工序，生成數(shù)控程序并進(jìn)行加工仿真，驗(yàn)證了針對(duì)薄壁零件CAM刀軌規(guī)劃的可行性。其中涉及的加工工藝安排、正反面加工要點(diǎn)、切削仿真等內(nèi)容，直觀展示了中望3D在薄壁零件生產(chǎn)方面的應(yīng)用路徑，可以成為同類零件加工的有力參考。

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