基于中望3D的薄壁零件CAM刀轨规划研究

甘文峰

摘要：由于交互式CAD/CAM系統在产品设计、模具设计、CNC加工等方面具备显著优势，一体化系统在我国数控生产制造领域的应用日趋广泛。本文基于中望3D系统，围绕薄壁零件的数控加工问题开展深入研究。具体探讨此类零件的建模方法、加工工艺选择、具体加工要点、仿真分析。通过研究可以确定，在薄壁零件数控加工方面，中望3D的应用能够显著提升加工效率和质量，能够为同类产品的生产提供借鉴。

关键词：中望3D;薄壁零件;CAM;刀轨规划

引言

薄壁零件通常是指具有型腔框架，但是在某一个方向或者多个方向存在小尺寸结构的零件。在机械领域，薄壁零件通常是基于产品标准要求，结构空间受限，或者是产品轻量化设计等原因产生的。由于零件的结构刚度不足，尺寸偏小，材质偏软，传统加工方式容易出现定位不准和加工变形问题，对生产效率及加工质量带来负面影响。本文以某小型设备的散热风扇底板为例，基于中望3D分析如何设计、加工、生产此类零件。在Overdrive引擎的支持下，对样件进行三维实体建模，优化工序参数，规划铣削加工方案，生成钻孔刀轨，并进行加工仿真，为薄壁零件的数控加工提供参考。

1 零件建模及工艺分析

1.1 零件实体建模

如图所示，是客户厂商的散热底板样件，材质为铝合金。该零件为典型的薄壁零件，整体形状为扁平框架结构，平面外观呈直角三角形。从正面看，具有四个薄壁深腔，其中有两个腔镂空至背面。正面还有若干个螺纹孔，用于定位和安装。从背面看，具有浅腔和浅槽，并在表面附带型号雕刻字样：MODEL PART 389。本实例的建模全部通过中望3D完成，使用到草图绘制、拉伸、阵列、布尔合并等实体操作功能。可见，使用中望3D可以快速实现薄壁零件的创建。

1.2 加工工艺分析

对零件形状进行分析，可以确定整体形状高度为15mm，宽165mm，长166mm。零件在水平方向壁厚最薄处为5mm，竖直方向壁厚最薄处为4mm，属于中小尺寸薄壁零件。考虑到工件正反面都需要加工，毛坯备料为180mm×180mm×30mm的方料，保证正反两个表面均有7.5mm的坯料余量。在装夹方面，由于在右下角存在异形突起，右侧边缘不齐整，影响了精密平口钳的正常夹持。同时观察到，零件中部具有加强筋提供左右方向的抵抗力，我们决定采用多块矩形板，分别压在零件右侧，以及垫在毛坯底部。该装夹方法可以防止在加工后期因为零件刚度下降引起夹持不稳、工作变形、加工抖动等问题。完成正面加工后，需要将工件翻转180度进行反面加工。翻转后同样以矩形板垫在底部，并采用压板固定四周。打表找到X轴和Y轴，粗铣表面至5mm作为Z方向原点。

2 薄壁零件工序安排

结合上文基于中望3D的三维实体建模及加工工艺分析，以下对该散热板零件针对性地开展工序安排，正反两面铣削加工，后置处理以及数控代码输出。主要涉及到的工序流程包括正反面开粗和二粗、内腔与槽的半精加工、内腔与槽的精加工、内壁与底面的清角加工、文字雕刻。选用的刀具分别为Ф12mm平铣刀、Ф8mm平铣刀、Ф4mm平铣刀、Ф1mm球头刀、M4钻头，转速分别为6000r/min、8000r/min、8000r/min、8000r/min、10000r/min、8000r/min，进给速度分别为2500mm/min、1800mm/min、1800mm/min、1800mm/min、2000mm/min、2000mm/min，切深分别为0.70mm、0.10mm、0.05mm、0.02mm、0.05mm。

2.1 正面加工要点

针对散热底板的正面形状特征，考虑结构强度，详细设定如下四个加工工序流程。

1）正面开粗与二粗加工。为了在保证安全的前提下，尽可能快速完成大量材料清除，第一次开粗选用“光滑流线粗加工”策略，生成类似摆线的刀轨样式，利用刀具侧刃多层渐进地加工毛坯材料。相应工序参数的设定也比较进取，选择较大直径的Ф8mm平铣刀、较深的切深0.70mm、以及步距65%。紧接着，利用“参考工序”功能，基于开粗的残留余料，选用Ф8mm平铣刀进行二粗。最后得到底面余量0.2mm，侧边余量0.3mm。

2）内腔侧面与底面精加工。由于该零件内腔没有拔模斜度，为了保证刀轨精度和加速运算，我们采用2.5轴多层加工方法，经过半精铣和精铣加工至目标表面。具体来说，对内腔侧面，采用“二维轮廓加工”，选用Ф4mm平铣刀刀具，分三层渐进，每层步距0.10mm。最后一圈清边刀轨步距0.05mm，加工至余量为零。对内腔底面，选用“二轴螺旋切削”和Ф4mm平铣刀刀具，切深0.05mm，步距45%，加工到位。

3）内腔清根清角加工。腔体侧壁之间以及侧壁与底面的连接处，会残留少量的材料，影响成品精度。采用“参考刀具”功能，以精加工刀具为参考，选用“精角加工”工序和Ф1mm球头刀，自动找到边角位置，生成清根清角刀轨。

4）钻孔。针对正面的若干个安装孔，选用“钻孔”工序和M4钻头，选择“就近排序”，一次性完成五个钻孔。

2.2 反面加工要点

1）反面开粗加工。同理，反面选用“光滑流线粗加工”和Ф8mm平铣刀，以切深0.70mm和步距65%进行一粗和二粗，侧面和底面均留下0.2mm余量给半精和精加工。

2）槽精加工。反面的两处浅槽形状简单，而且加工质量要求不高，采用Ф4mm平铣刀以0.05mm切深加工即可。

3）镂空精加工。镂空部位大部分材料已被清除，只剩侧面而没有底面，需要防止工件刚性不足，采用保守的工序参数。选用“二维轮廓加工”，选用较小的刀具Ф1mm球头刀，以0.02mm切深加工到位。

4）文字雕刻。在实际工程中，多采用废旧小号钻头当作刻字刀具。本次，我们复用M4钻头，以0.05mm深度在表面刻出字样。

3 后置处理与仿真分析

为了查看刀具运动过程，判断刀轨水平穿越时是否安全离开毛坯平面，我们使用中望3D“实体仿真”功能进行切削模拟。通过虚拟刀具和毛坯模拟材料去除，观察到刀具正常切削，结果显示没有出现任何干涉。最后将成品材料与原始零件形状对比，显示没有过切或欠切，加工效果符合容差要求。后处理器选用中望3D为西门子系统标配的默认Sinumerik_840D.znc配置文件，可以生成适用于德马吉DMU50加工中心的代码。它提供了CYCLE800局部坐标系指令，为本次零件正反双面加工提供支持。

4 结论

综上所述，通过在中望3D中建立工件模型，设置加工工序，生成数控程序并进行加工仿真，验证了针对薄壁零件CAM刀轨规划的可行性。其中涉及的加工工艺安排、正反面加工要点、切削仿真等内容，直观展示了中望3D在薄壁零件生产方面的应用路径，可以成为同类零件加工的有力参考。

参考文献：

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