UG的薄壁曲面零件数控加工

2薄壁曲面零件数控加工设计2.1加工工艺分析1）零件分析。结合图1和图2分析得出，该汽车钥匙外壳最小壁厚为0.6 mm，相对于长度33 mm和宽度25 mm，尺寸较小。因此，其整体结构为薄壁壳体，主要由正反两个曲面组成，曲面的相关要素构成细小，各曲面之间要求连续平滑过渡，并且后处理后的曲面程序数据庞大。汽车钥匙外壳的加工要素包括内外曲面、凸台、沟槽、外形、倒圆角。根据使用要求，加工的曲面形状精确，连接光顺，

图1汽车钥匙外壳工程图

图2汽车钥匙外壳三维模型

面粗糙度值小。2）工艺支承。考虑到工件翻转后的定位，第一次装夹优先加工汽车钥匙外壳的反面，加工前需设计工件的工艺支承[3]。具体方案为：采用相同尺寸为14 mm×3 mm×1mm的4块矩形板与反面上表面连接，而矩形板的另一端与16 mm×10 mm的三棱柱固定，由于零件中间是薄壁区域，为了减小刀具下沉时切削力引起加工变形，还需增加一个2 mm×1 mm的凸台，以提高整体刚度。同时，为了定位可靠，必须保证矩形板、三棱柱和凸台装配后等高，设计的工艺支承如图3所示。

图3工艺支承

3）装夹方式。通过工艺支承的设计，解决了工件翻转后不易定位和装夹的问题。因此，工件反面装夹可以在普通工艺范围内采用机用精密平口钳夹紧，将原先的备料尺寸增加至55 mm×48 mm×10 mm，毛坯底部组合多个平行垫块作为轴向定位，保证装夹后高出钳口至少5 mm。以中间凸台中心作为X轴和Y轴方向的加工原点，毛坯顶面下降0.5 mm后作为Z轴加工原点。

汽车钥匙外壳的反面加工完毕后，第二次装夹加工的是正面。将工件翻转180°，通过平板直接放置在机床工作台上，以工艺支承作为轴向定位，采用专用压板分别固定工件四周，杠杆百分表精确找正X轴和Y轴，将总高度加工到5 mm后作为Z轴的加工原点。

2.2零件反面加工通过上述加工工艺的分析，并根据零件反面加工区域的结构和特征，制定详细的数控加工工艺及主要切削参数，如表1所示。

表1反面加工工艺及主要切削参数

1）反面开粗。粗加工阶段，为了提高材料去除率应尽可能选择大直径刀具[4-5]。考虑到中间2 mm凸台几何尺寸限制，根据现有条件选用8 mm的立铣刀。主要切削参数如表1所示，加工类型为型腔铣，选择整个部件作为加工区域，切削模式为跟随周边，这样可以减少抬刀次数，缩短辅助时间，步距为刀具直径的65%，切削方向为顺铣，切削顺序为深度优先，底面余量为0 mm，侧壁余量为0.2 mm。2）内曲面加工。内曲面的加工共分为粗加工、半精加工、精加工3个不同阶段。粗加工主要是初步加工出曲面形状和轮廓,半精加工是在粗加工的基础上，给后续精加工留出合理的余量，精加工是为获得较高精度，最终加工出要求的曲面[6-7]。根据曲面几何形状和尺寸，

第一阶段的粗加工选用4 mm的球头刀，加工类型为型腔铣，选择曲面零件作为加工区域，边界为外形曲线，切削模式为跟随周边，步距为恒定，最大距离为1 mm，切削方向为顺铣，切削顺序为深度优先，底面余量为0 mm，侧壁余量为0.15mm，进刀类型为沿形状进刀，斜度角为3°。

第二阶段半精加工选用2 mm的球头刀，加工类型为固定轮廓加工，选择3个较大曲面作为加工区域，切削方法为区域铣削，非陡峭切削模式为往复，切削方向为逆铣，步距恒定为0.08mm，并应用在平面上，部件余量为0.05 mm，内公差为0mm，外公差为0.01 mm，边界内公差为0.01 mm，边界外公差为0 mm，进刀方式为圆弧。最后一个阶段的精加工刀具、加工类型、切削方法等参数与半精加工相同，只需将步距设置为0.02 mm，这样可以获得更好的表面质量。3）凸台倒角精加工。

精加工刀具直径受凸台倒圆角尺寸R0.5 mm的限制［8-9］，因此选用1 mm球头刀，加工类型为深度轮廓加工，分别选择3处的圆角作为加工区域，修剪边界曲线为凸台外圆曲线，Z方向的加工范围为凸台上表面，切削方向为顺铣，切削顺序为深度优先，为了防止刀具欠切，将XY方向延伸0.2 mm，底面余量为0，内公差为0，外公差为0.01 mm，进刀方式为沿部件斜向进刀，斜坡角为3°。4）曲面连接处清根。内曲面的切削加工属于封闭式区域，刀具往返切削中速度不断变化，可能在已加工表面和隔断面上产生明显的刀痕[10]。

因此，曲面连接处作单一程序清根处理，保证各曲面间光滑连接。这里选用1 mm球头刀，加工类型为单刀路清根，指定内曲面作为加工区域，非陡峭模式为单向，切削方向为顺铣，内公差为0mm，外公差为0.01 mm，边界内公差为0.01 mm，边界外公差为0 mm，进刀方式为圆弧，反面加工刀具路径如图4所示

图4反面加工刀具路径

2.3零件正面加工1）正面开粗。正面的加工首先保证旋转后零件处于正确位置，以反面加工时的Y轴为旋转中心，将工件翻转

180°。采用压板的方式固定四周，加工时主要考虑刀具与夹具的干涉和碰撞。因此在加工时必须指定压板为检查体，避免发生安全问题。开粗选用8 mm的立铣刀，切削顺序为层优先，刀路方向向内，封闭区域进刀类型为螺旋，斜坡角为3°，其它切削参数与反面开粗相同。2）外曲面加工。外曲面的切削加工属于开放性区域，曲面之间没有隔断，因此只需分为粗加工和精加工两个阶段。外曲面粗加工选用4 mm的球头刀，加工类型为固定轮廓加工，驱动方法为边界，选择最大轮廓曲线作为加工边界，切削模式为往复，切削方向为逆铣，步距恒定为0.05mm，切剖方向与X轴夹角45°，部件余量为0.05 mm，内公差为0 mm，外公差为0.01 mm，进刀方式为圆弧，精加工选用2mm的球头刀，步距设置为恒定，距离为0.02mm。3）沟槽清根。沟槽加工通常采用型腔铣削，由于外曲面上凹槽较窄，宽度只有0.4 mm。因此采用清根加工代替铣槽方式[11]。选用1 mm球头刀，加工类型为单刀路清根，指定外曲面作为加工区域，非陡峭模式为单向，切削方向为顺铣，正面加工刀具路径如图5所示。

图5正面加工刀具路径

2.4模拟验证和后置处理生成薄壁曲面零件所有刀具路径后，利用UG软件的模拟切削功能进行加工验证，通过分析对比加工过程，没有发现过切、欠切和碰撞问题，状态结果显示安全，仿真加工效果如图6所示。后置处理的程序必须与实际机床相适应，选择数控系统为FANUC 0i，转换成杭州友佳VM-32SA加工中心的NC代码。最后通过DNC、CF卡、USB等方式实现程序的传输和加工。2.5去除工艺支承汽车钥匙外壳整体加工完毕后，需要去除工艺支承，获得最终的表面。首先，采用角磨机将四周矩形板分别与工件分离，反面2 mm×1 mm凸台采用相同的方法去除。

最后，通过机械抛光使零件达到较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。

图6汽车钥匙外壳仿真加工效果图