三维异型曲面零件的自动编程加工

摘 要：文章分析了动车组用铝合金车体门角铁在数控设备上利用计算机自动编程的加工工艺过程,提出利用先进CAM制造技术加工异型曲面零件的工艺方法,重点说明模型建立、参数设置、仿真检查与后处理的方法,对于运用数控加工的领先技术、提高数控设备的加工能力有积极的作用.

关 键 词：CAM；曲面自动编程；门角铁

中图分类号：U270.6文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）06-0058-02

随着动车组项目的发展,数控设备已经大量的运用到加工生产中,如何提高数控设备的加工能力,开发数控设备的应用领域,成为工艺人员关心的热点问题之一,对于普通简单零件的加工,通过手工编程即可实现,而对于复杂曲面零件的加工,需要运用先进的CAM软件制造技术来实现,本文通过分析利用计算机自动编程加工的工艺过程,以时速200km动车组铝合金车体门角铁为例,说明如何利用CAM自动编程软件进行异型曲面的加工.

1门角铁设计模型分析

门口角铁设计模型是利用CATIA三维软件构造的,其上下表面均为带有一定弧度（R1990、R8000）的曲面,四周为带有倾斜度及弧度的坡口,零件被切去的一角为弧线和直线构造的成型面,而非四分之一的圆面,整体属于异型曲面零件,具体见图1.从门口角铁的模型特点已经排除了利用手工编程完成该件在数控设备加工的可能,如何运用CAM编程软件来实现自动编程加工,成为亟待解决的问题.

2CAM软件编程的工艺准备

CAD技术的产生可以使得产品的三维几何信息完整的在计算机上表现出来,也就催生了CAM软件的发展,目前的CAM软件功能已相当成熟,通过计算机实现交互式图形编程,精度高、速度快,又能直观的模拟加工过程,使用方便,便于检查和修改,可以解决对于三维异型曲面的加工,已成为国内外数控加工中普遍采用的方法.常用的CAM软件有UG、Pro/E、MasterCAM、CAXA等,现以UG为例说明这一过程的实现.

2.1数字化加工模型的建立

2.1.1模型转换.

CAD模型是数控自动编程的前提和基础,门角铁是用CATIA软件来实现三维造型,该软件同PRO/E等其它三维软件一样,具有很强的造型功能,被广泛的运用于国内外的设计领域；而UG软件提供了常用CAD软件数据接口,将零件的CATIA格式的零件设计模型通过UG的数据转换功能,转换为UG数据的专用格式*.PRT文件,然后再UG的工作环境下,完成对零件CAD模型的自动编程加工.

2.1.2模型完善.

由于CAD造型人员在零件设计模型造型时更多考虑零件的方便性和完整性,对零件是否能实现CAM加工并不考虑,所以在获得CAD模型后,要对该模型进行适当的编程处理,进一步完善该模型以满足加工需要：

①建立编程坐标系.坐标系是整个编程的基准,在建立坐标系时要考虑零件找正、加工方便,坐标系要与操作人员确定的坐标系相一致,综合考虑后门角铁坐标原点设在工件底面中心的位置.②修补CAD模型.通过数据转换获得的零件模型通常是不能直接使用的,门角铁加工模型在转换后存在两处缺陷：第一,曲面在连接处并不相交,须通过修整或创建轮廓线构造出最佳零件加工边界线.第二,存在加工空缺区域（具体见图2）,若不补充完整,该区域在加工时会被漏掉.③构建加工限制边界.为了避免零件加工时出现过切现象,需要通过构建加工限制边界来明确需要加工的区域,这样还可以避免辅助装置及刀具与工件发生干涉的情况,既增加了操作的安全性,还有利于提高加工效率.

2.2门角铁加工工艺分析

在数控设备上来实现门角铁的加工工艺相对简单,完全通过计算机辅助编程来实现各个部位的加工.

①加工对象的确定：门角铁的毛坯为方料铝材,其需要加工的部位包括：两个曲面、一个斜面、两个坡口及各过渡面,角部圆弧的余料去除.②工艺路线设定：铣角部圆弧→粗铣零件上表面、斜面及坡口→精铣上表面、斜面及坡口→精铣下表面及坡口.③加工方法及加工工具选择：加工方法采用先粗后精,粗加工采用等高切削方式,精加工采用曲面域加工方式；刀具选择球头铣刀.

3CAM编程参数设置

CAM编程参数设置合适与否直接影响到数控加工程序的质量,需要综合考虑被加工零件材质、加工内容及使用刀具情况.

3.1加工工艺参数设置

加工工艺参数设置包括切削深度控制、切削速度控制、主轴转速的控制,加工余量的控制、加工步距等,是影响加工精度、表面质量和加工损耗的重要环节.

零件的粗加工时可以采用较大切削量,利用较短时间实现有效的去除材料的目的.等高切削就是一种按等高线层层加工的方式来去除材料的方法,其特点为切削刀具受力均匀,可以进行稍大量的切削进给,门角铁选用此种方法比较合理,切深选择每层2mm.由于该件为铝材,切速太低可能会出现切屑粘刀现象,导致切削表面质量差,在综合考虑刀具的耐用度后,切速Vc选择在200m/min以上；主轴转速n根据切削速度Vc来选定：计算公式n等于Vc×1000（π×Dc）,Dc为刀具直径,在设备允许的情况下取4000r/min以上；根据零件的材质、加工精度及表面粗糙度,门角铁的进给速度Vf选定为1500mm/min；为保证零件的加工精度和表面粗糙度,预留精加工余量为0.5mm.粗加工时可以加大步距L,提高加工效率,一般L的取值范围为：L等于（0.6～0.9）d.

为保证零件的加工精度及表面粗糙度,精加工时可以提高切削三要素,减小步距L,采用曲面域加工方式,生成曲面上封闭区域的刀具轨迹,按照指定的角度、步距将走到路径均匀分布在3D模型上,如图3所示.

3.2刀具的选择

刀具的选择关系到加工精度、加工表面质量和加工效率,选择合适的刀具及参数,可以达到事半功培的效果.对于铝件的加工,可以选择高速钢刀具或硬质合金刀具,门角铁需要用球刀进行加工曲面,选用高速钢球刀在磨损后不易修正,由于是高速切削,对刀具的强度要求较高,通过工艺试验,选用机夹式可转位刀具,可转位刀具的刀体可以重复使用,磨损后通过更换刀片即可,节约制造费用,经济性好,并且可进行干切削,节省冷却液,并保持机床整洁,减少辅助时间,实践证明可转位刀具加工门角铁能够很好的满足加工要求.3.3走刀方式的选择

门角铁的曲面外形基本为矩形及圆弧形状,可以选择平行切削（又称为行切法）方式进行,同时选择平行切削加工菜单下的往复走刀方式,刀具会以顺铣、逆铣交替的方式进行加工,节省了抬刀时间,在粗加工时步距可达到刀具直径的70%～90%,加工效率高；此种方法在精加工中可以获得刀痕一致、整齐美观的表面效果.

进、退刀的方式在数控加工中也必须考虑.计算机可以很好控制进、退刀的方式及点位,利用这个特点可以实现加工走刀路线的最优化,提高零件的加工质量.通常进刀方式有三种：一是垂直向下进刀,二是斜线进刀,三是螺旋式进刀方式.这里选择垂直向下进刀,但需要设置进刀点的位置坐标在加工工件的,在设定了具体的进、退刀点坐标位置后,进、退刀方式也可以称为强制进刀.

3.4安全高度

首先设定起止高度,程序开始时,刀具交先到达这一高度,程序结束后也将退回到这一高度,起止高度要大于或等于安全高度,而安全高度是为了避免刀具碰撞工件而设定的高度,在铣削过程中,刀具需要转移位置时将退到这一高度再进行下刀位置,此值一般大于零件的最大高度,门角铁的材料为40mm厚的铝板,所以设置安全高度为45～50mm即可.

另外需要设置慢速下刀相对距离,可以使机床有缓冲的过程,同时确保下刀所在位置的准确性.此值一般不大,太大影响加工效率.由于门角铁的外型虽然是曲面组成,但没有凸台或槽坑,所以无需要进行抬刀控制设置.

4生成刀轨与仿真检查

自动编程参数设置完成后,CAM软件会自动生成刀具加工轨迹,检查基本无误后生成G代码程序.利用仿真加工在计算机屏幕上对加工程序进行检查,从加工效果直观的发现问题,及时调整参数设置,再进行检查,以确保程序的安全性、准确性.

5后处理

在生成加工程序后,需要将其传输到数控设备,因数控系统的不同,特别对程序头和程序尾部分要进行检查,门角铁加工设备系统为标准FUANCOi-Mc系统,无需进行程序语句修正.将G代码程序格式转化为数控机床可以接收NC代码,这里选用纯文本（.TXT）格式,通过传输通讯软件输到数控机床控制器上,由控制器按程序语句驱动机床加工,首件鉴定合格后投入批量加工.

6结语

生产实践表明,运用先进的CAM软件制造技术,解决了动车组铝合金车体门角铁的加工难题,同时利用了数控设备的加工优势,对于提高加工工艺水平和数控设备的加工能力有着重要的实际意义.