0 引言

　　隨著計算機技術的迅猛發展，工業設計與制造領域的CAD/CAM軟件也得到了前所未有的發展，各種三維CAD/CAM軟件應運而生，且各具特色，其中美國PTC公司開發的Pro/E軟件和美國CNC Software公司開發的MasterCAM軟件表現的十分突出。Pro/E軟件“參數化”及“單一數據庫”的設計理念使產品的設計與更改更加簡易、靈活；MasterCAM軟件強大的二維、三維加工功能使工程技術人員設計的復雜產品零件更容易實現，其最大特點在于：刀具設置更具人性化，加工思路具體以及與其他軟件的數據轉換簡潔明了，另外其強大的程序后處理功能能夠生成當今流行的大部分數控機床數控系統所需要的NC程序，具有很強的實用性，利用MastercAM軟件幾乎可以完成所有常規的和復雜形狀零件的加工，目前在國內外它已成為一個大眾化的、用戶量很大的CAD/CAM應用軟件。現以實例形式來闡述Pro/E和MastercAM軟件兩者相結合在零件三維造型及數控加工中的應用。

1 零件圖樣分析

　　材料為#45鋼。由圖1可知，該零件的結構比較復雜，具有平面、凸臺、孔、封閉式長窄槽、圓弧面和凹球面等特征。

　　毛坯尺寸：長×寬×高為165mm×165mm×55mm（毛坯6個面已在普通機床上加工好）。

　　該零件各加工部位精度為IT6-8級，表面粗糙度要求為Ra3.2μm。由于零件的形狀和結構比較復雜，需保證以下幾個精度：3-φ10+0.030均布通孔的尺寸精度、3個均布通孔的位置精度、尺寸φ100-8.02，高度尺寸38±0.02，30±0.02，10±0.02，5±0.02，2±0.02及1個平行度公差要求等。

2 三維建模

　　鑒于Pro/E軟件的建模特點（在Pro/E軟件中任何復雜的機械零件，都可以看成是一些簡單的特征經過相互的疊加組合而成）十分出色，應用該軟件對零件進行三維建模。建模過程如下：1）根據零件圖繪制二維草繪設計圖，靈活選用標注和約束參照；2）運用拉伸、旋轉、陣列等命令創建基礎實體特征；3）在基礎實體特征上添加孔、溝槽、倒圓角等特征。

　　保存文件：將此完成的“.prt”文件在Pro/E主功能菜單的文件——保存副本中以.igs格式進行保存（方便后面將其導入到MasterCAM中加工）。

3 加工工藝分析及加工方案擬定

　　該零件的加工表面較復雜，凸、凹面、淺平面和斜陡面兼有，MasterCAM軟件提供了10多種曲面精加工方法，但想要用一種精加工方式把多特征的曲面一次加工出來存在較大困難，即使能加工出來也無法同時保證平面與斜面的加工品質，使零件局部品質達不到要求，故采取分區域加工的方法（即將淺平面與斜陡面分開加工）。此外，還要合理選擇刀具，優化走刀路徑，減少提刀、空刀及不必要的重復路徑，在改善加工品質的同時使加工效率也有所提高。該零件加工難點在于：淺平面與斜陡面的加工、凸出曲面與相接平面間的清角。

　　a)對于淺平面（中間凹球面）與斜陡面（凸出曲面），根據MasterCAM精加工方法的刀路特點，斜陡面采用等高外形刀路加工較合理，中間凹球面則采用3D環繞淺平面精加工。

　　b)而對于凸出曲面與相接平面間的清角，常有以下幾種加工方法：1）使用交線清角加工，刀具選擇半徑不能太大，由于交線清角只能沿曲面交線的地方走一刀，若精加工所用刀具半徑太大，則在兩把刀都加工不到的區域留下殘料。2）使用放射狀加工，設置起始補正距離，設定切削范圍，只加工殘料區域，此方法能夠達到加工品質的要求，但加工路徑往返較多。3）使用環繞等距或等高外形加工，通過設置切削深度限定加工區域可去除全部殘料，路徑連續、抬刀少，能夠達到表面品質要求且效率高。通過以上分析，加工時選擇環繞等距或等高外形刀路更為合理。

　　對于圖1所示零件而言，用球刀精加工凸出曲面之后會在該曲面與相接平面間相交的部位留下對應圓角（即φ3mm的球刀，其對應圓角為1.5mm）；凸出曲面與相接平面成100°，交線清角將無法去除全部余量。因此可選用環繞等距或等高外形刀路，用切削深度限定加工區域，僅加工有殘料的地方。此處殘料高度為精加工所用刀具刀尖圓弧半徑，故切削深度范圍略大于此半徑的值即可，刀具則選用平刀清角。

　　c)確定加工方案：首先開粗加工、其次半精加工、再精加工，最后清角加工。精加工內容為：1）對于中間凹進去區域，有淺球面以及凹槽（槽底圓角R為3mm），可用3D環繞淺平面精加工和2D外形銑削；2）對于中間凸出區域，有五個等寬度的槽、圓弧面、3個凸臺，可用2D（挖槽）和等高外形精加工，相同路徑可進行復制；3）凸出曲面與相接平面間的清角，選用等高外形加工，設置深度去除全部殘料。另外，3個φ10+0.030均布通孔的位置精度要求比較高，又是直徑較小的孔，故需采用打中心孔（定位）-預鉆孔-擴（鉸）孔的方案。

4 加工前的準備

　　4.1 機床選擇

　　因該零件加工起來較復雜故根據現有設備，選擇型號為VMC600的數控加工中心（FANUC系統），因有自動換刀功能，從而可以提高生產效率，減少輔助工時。

　　4.2 零件的裝夾

　　因該零件毛坯形狀規則，且尺寸不大，采用平口鉗裝夾。

　　安裝時要使零件的基準方向和z，y，z軸的方向相適應，保證切削時刀具不應碰到夾具和工作臺；另外，為方便后面加工三個通孔應在毛坯下方的適當位置放置墊塊，防止鉆削通孔時將平口鉗鉆壞，然后再將零件夾緊。

　　裝夾示意圖見表1。

　　4.3 圖形導入

　　在MastercAM中打開已保存的該零件的.igs格式文檔，方法：主菜單-文檔-文檔轉換-IGES-讀取，同時將導入的圖形轉為實體，并進行相關的輔助處理（如畫邊界線等），進行工作設定：（工件原點設在毛坯上方的中心位置）。

5 刀具路徑設計及加工過程實施

　　a)實體挖槽粗加工：刀具選擇：選擇φ16mmR1.0的圓鼻刀，材料為高速鋼。

　　曲面加工參數的設置：預留精加工余量0.2mm，采用螺旋式下刀。 

　　b)2D外形銑削：對中間φ35凹槽銑底平面及側壁，刀具選用φ8R3mm的圓鼻刀，參數設置圖略。

　　c)3D環繞淺平面精加工：選用φ6mm的球刀對中間凹球面進行精加工，加工余量為0mm，主軸轉速和進給速度適當提高。

　　d)2D挖槽加工：選用φ6mm的平刀，選擇一個槽的邊界線進行2D挖槽，此處只需建立一個槽的刀具路徑再對其路徑進行復制，即可獲得5個槽的刀具路徑。參數設置圖略。

　　e)等高外形半精加工：選用φ6mm的球刀對中間突起的曲面（斜陡面）進行半精加工，使精加工余量更加均勻，余量為0.1mm，主軸轉速和進給速度適當提高。相關參數設置見圖7所示。

　　f)等高外形精加工：選用φ3mm的球刀對中間突起的曲面（斜陡面）進行精加工，余量為0mm，主軸轉速和進給速度適當提高。從而使曲面光滑整潔，達到所需品質要求。相關參數設置如圖8。

　　g)利用2D挖槽和平行銑削的方式對底面和凸臺平面平面進行精加工，仍選用φ16R1.0mm的圓鼻刀（換新刀片后），參數設置圖略。

　　h)對3-φ10+0.030均布通孔加工，采用打中心孔（定位）-預鉆孔-擴（鉸）孔的方案，選擇表1中所選刀具進行加工，因方法較簡單，此處不再贅述。

　　i)曲面與相接平面的清角加工：由圖9可知在凸起曲面與平面交接的地方還有少量殘料，故此局部可用φ6mm的平刀通過等高外形（限定深度）的加工方法將其去除。

6 結語

　　隨著信息化技術的飛速發展，產品開發設計、加工制造的周期越來越短，這就要求企業必須采用先進的CAD/CAM技術。Pm/E，MasterCAM等先進的CAD/CAM軟件的應用為產品研發和制造提供了強有力的技術支持，尤其是通過結合這兩款軟件的特點，可以充分發揮其各自優勢，找到最佳的設計和加工方案，提高產品設計與加工的品質與效率。