基于MasterCAM复杂零件工艺分析及高效数控加工
时间：2022-12-07 09:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨龙
（龙岩技师学院，福建龙岩 364000）
经济的快速发展对复杂零件的需求愈发增多，如何能高效加工复杂零件确保在激烈的市场竞争中立有一席之地，是当前机械制造领域普遍关注的问题。本文以全国技能大赛数控技术综合应用赛项中的右立板零件为例，该零件形状复杂，尺寸精度要求高，如何能高效加工出合格零件对编程人员而言是一个不小的挑战。
数控技术综合应用赛项要求车/铣机床加工不同零件，组装后对连接轴上的叶轮施加0.5MPa气压，连接轴轴端装有轴承，通过连接轴的旋转运动带动活塞杆做直线上下往复运动以实现抽水功能。作为关键零件的右立板，其加工质量直接影响功能的实现。
3.1 零件尺寸精度分析
如图1所示，零件除正、反面需要加工外，侧面还有M5mm孔特征需要加工，毛坯规格为150×138×30mm。材质为2A12为硬铝合金，综合机械性能较好，零件主要尺寸为带公差的尺寸，最高尺寸精度IT7级，多处表面粗糙度值要求Ra1.6μm，其余基本尺寸精度要求±0.2mm，螺纹深度与孔深度控制在0/+2mm，圆弧半径控制在±0.2mm。
3.2 加工难点分析
零件整体结构复杂，表面要求无加工刀痕、划痕、凹痕等。环形槽宽公差0.04mm，薄壁厚2.25mm，尺寸难以检测，材料的热膨胀系数比较大，加工时受到毛坯内应力、切削力、切削热、以及夹紧力等因素的影响引起扭曲变形。此外槽宽23+0.030mm、厚度尺寸15+0.030mm、宽度尺寸260-0.02mm、均属难控制尺寸，此零件若不正、反开粗再精修易造成平行度与深度尺寸超差，影响装配后连接轴的旋转速度，进而影响功能的实现。
图1 零件图
为保证加工质量，需综合考量，主要从毛坯内应力、刀具切削能力、工件夹装方法及结合软件加工策略运用等方面入手制定合理的加工工艺。
4.1 合理选用夹具
选用规格为VC-150型精密液压平口钳，通过调整螺杆旋转圈数能较精确控制夹持力度，对于刚性较差的薄壁铝合金工件，精加工时平口钳夹紧力不宜大，夹紧力以不发生位移即可，为保证夹持刚性，采用压板压在工件上表面。同时，为增加薄壁区域的刚性，在槽区域填充介质（斜块），以减少装夹和切削过程中工件产生的变形。
4.2 减小内应力
选用加工铝合金材质专用的三刃铣刀切削，将零件正、反开粗切除大量的材料后放置一段时间，可以释放一部分内应力，减少精加工工序的加工变形。
5.1 动态铣削粗加工
MasterCAM软件的动态加工策略是一种充分发挥刀具侧刃和底刃的切削优势，以达到高效切削目的加工策略。切削厚度保持稳定，切削中的热量分布及刀具荷载均匀分布，热量及废削得以及时排出。根据加工中的刀具运动变化不断调整刀具与坯料的接触角度，使加工过程中的刀具负载达到动态平衡，避免刀具在使用大切深切削时因负载过大而引起的断裂。
5.2 水平区域铣削精加工
该策略用于加工模型的平面区域，在每个区域的Z高度创建切削路径。一次性拾取加工表面，即可加工切削范围内的所有模型平面，相较于传统刀路的单个平面拾取，缩短辅助时间，提高了加工的效率。
5.3 实体模型倒角
模型倒角是一个强大的加工策略，它可以基于实体模型快捷的创建2D倒角刀路。一次拾取所有表面，通过设置参数即可生成了一个零干涉、相同大小的倒角刀路，并且在刀具参数范围内加工尽可能多的倒角。
基于上述工艺分析，制定了以下的加工工艺，刀具切削参数如表1所示。
表1 刀具切削参数
6.1 粗加工第一面
（1）φ63mm面铣刀平面铣削。
（2）φ10mm粗铣刀对第一面整体开粗（3d优化动态策略），参数设置如图2所示，切削深度22mm。
优化动态粗切具体操作如下：单击优化动态粗切图标，在弹出的参数设置对话框中单击“模型图形”，单击“选择图素”按钮，窗选加工表面，单击刀路控制—边界串连—边界范围，拾取图3中的红线为边界范围，单击“切削参数”，设置如图3所示的参数，其中距离（切宽）为3.0mm，深度15.0mm，勾选步进量方框按钮，设定为1.5mm，其余默认参数设置，点击“陡峭/前滩”，最高位置设为0.5mm，最低位置设为-24mm，单击确定，生成如图3所示刀路，图4所示为仿真效果。
图2 参数设置对话框
图3 加工轨迹
图4 仿真结果
（3）φ6mm粗铣刀对未加工区域二粗加工。
（4）φ10mm粗铣刀对工艺台需要装夹的位置光刀处理。
注意事项：加工过程中注意仿真，看有无过切漏切现象，保存仿真毛坯（STL格式），下一步仿真需要用到。
6.2 粗加工第二面
（1）φ63mm面铣刀平面开粗，总厚度约留0.5～0.6mm余量。
（2）φ10mm铣刀对零件第二面整体开粗，深度24mm。
（3）φ6mm铣刀对零件第二面二次开粗，并进行清角。
（4）φ8.5mm的钻头钻RC1/8的底孔。
（5）拆下零件进行应力释放，重新装夹分中对刀，注意夹紧力度。
6.3 精加工第二面
（1）φ10mm、φ6mm粗铣刀采用磨损的方式走一遍精加工的程序，余量约留0.1mm。
（2）φ10mm、φ6mm精铣刀对零件底面进行精修（水平区域加工策略），精修底面过程中，X、Y方向间隙预留0.2mm，避免产生让刀。
水平区域加工策略具体操作如下：单击水平区域图标，在弹出的参数设置对话框中单击“模型图形”，单击“选择图素”按钮，窗选加工表面。单击“切削参数”，设置如图5所示的参数，其中切削距离为80.0mm，最小4.4mm，最大8.0mm，其余默认参数设置，单击确定按钮，生成如图6所示刀路，图7为仿真结果。
图5 参数设置对话框
（3）φ10mm、φ6mm精修刀具精修轮廓，并控制零件尺寸精度。
图6 刀具轨迹
图7 仿真结果
（4）φ6mm倒角刀倒角（模型倒角策略），C1倒角需单独拾取。
模型倒角策略具体操作如下：单击2D展开刀路里的模型倒角策略，在弹出的参数对话框中选择串联图形—窗选实体表面，侧面间隙0.05mm，安全高度1.0mm；
单击刀具选项，设定一把φ6mm×45°的倒角刀，刀尖直径设定为φ0.1mm；
单击切削参数，补正类型—磨损，补正方向左，倒角宽度0.3mm，底面偏移0.3mm；
单击进/退刀设置，长度0.5mm，半径R0.5mm，其余默认设置，单击确定按钮，如图8所示，生成如图9所示的刀具轨迹。
图8 参数设置对话框
图9 刀具轨迹
（5）攻RC1/8螺纹，并用通止规检验螺纹是否合格。
注意事项：①本次精修所用φ6mm刀具加工深度较深，为避免刀柄刮蹭部分发黑或造成让刀现象，可采用磨好避空位的铣刀或加长铣刀进行加工；
②加工过程中注意仿真，看有无过切漏切现象。
6.4 精加工第一面
（1）零件翻面装夹，上部用压板压住。
（2）φ10mm、φ6mm立铣刀采用剩余毛坯方式去除残留工艺台，并进行清角。
（3）松开零件，检查尺寸厚度余量是否均匀，相差过大的可以适当的调整实体，一般零件开粗的时候没夹变形，是相差不大的。
（4）重新装夹、拉表并对刀（注意夹紧力）。
（5）φ10mm、φ6mm精加工立铣刀采用磨损的方式走一遍精加工程序，余量留0.1mm。
（6）φ10mm、φ6mm精铣刀对零件底面进行精修，XY余量留0.2mm，避免产生让刀。
（7）φ10mm、φ6mm精修刀对轮廓精修，并控制零件尺寸精度。
（8）φ6mm倒角刀倒角。
6.5 精加工侧面
（1）高钳口装夹零件，拉表、分中对刀。
（2）φ5.2mm钻头钻M6mm底孔。
（3）螺纹铣刀加工M6mm螺纹。
（4）φ6mm倒角刀进行倒角。
在验证安全无过切的情况下，将NC程序导入机床进行加工，图10所示为右立板零件粗加工。精加工后检测实际加工结果，主要的尺寸均加工合格，如图11所示。
图10 粗加工模型
图11 精加工模型
本文引用数控大赛的一个典型加工案例，分析了零件的结构特点、加工难点及采取的解决方法。运用MasterCAM软件的多种高效加工策略极大地提升了加工效率。制定了合理的加工工艺，设置加工参数，机加工后零件的表面质量及尺寸精度符合技术要求，取得了良好的加工效果。本文的加工思路对高效加工复杂零件具有一定的借鉴意义。
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