模具曲面抛光路径采用MasterCAM生成方法研究

　　近些年随着数控技术和CAD/CAM技术在模具工业中的广泛应用，数字化和机器人等抛光方法对复杂模具曲面进行抛光处理得到了较快的发展川，并成为模具曲面加工行之有效的方法。本文针对模具曲面抛光过程中的不同抛光曲面，分析了MasterCAM模具曲面加工运动中各种生成路径的方法，针对模具型腔等表面经铣削后需进行的表面光整加工，分析模具表面的曲率变化，提出了利用MasterCAM软件的路径设计，实现抛光工具(磨头)对模具轮廓曲面进行平滑处理，以获得模具表面较佳的表面质量和形状精度。

　　1 模具抛光路径生产方法

　　在模具曲面抛光过程中，抛光工具总是沿着一定的抛光轨迹对模具表面进行光整加工，要使抛光工具运动路径达到较理想的效果，不仅要求计算速度快、占用计算机内存少，而且还要使切削行间距分布均匀、加工误差小、走刀步长分布合理和加工效率高等，必须确保工件加工表面和抛光工具表面在抛光运动轨迹上各点均有相同或相近的去除条件，同时抛光工具的运动也应保证工件上各点有相同或相近的抛光行程，尽量不出现周期性重复情况，尽量避免曲率过大的转角，力求抛光运动平稳。

　　作为常规的抛光运动轨迹主要有直线、环形线、螺旋线、放射线、正弦曲线、次摆线轨迹等(如图1)。但对于绝大多数模具曲面，特别是模具内腔表面，有时曲面形状较为复杂，如仅采用单一的抛光路径显然不可取。因此对于加工不同的模具曲面必须采取不同的抛光方法，以获得较好的表面精度和表面质量。Master-CAM X曲面精加工的路径设计方法较多，常用的投影加工、等高线加工、浅平面加工、流线精加工、混合光整加工等都是模具抛光过程较理想的方法。

　　图1 模具抛光工具路径设计图

　　1.1投影加工计算方法

　　投影加工方法应用比较多，且是一种比较容易生成运动轨迹的方法。其方法是先建立像平面抛光的运动轨迹，然后将这个运动轨迹投影到要加工的模具曲面上。在抛光运动过程中虽然生成轨迹较多，但在各种运动轨迹中，像外摆线、内摆线等不适合曲面的抛光。在模具曲面的抛光运动轨迹中，主要采用直线式、环形、放射线形和螺旋线形等。对于正弦曲线、次摆线、椭圆线轨迹在路径生成中由于抛光轨迹不易重复，有利于降低表面粗糙度值，但轨迹生成难度较大，而且还需采取一定的编程手段以生成平面的轨迹曲线，然后用曲线驱动的方法投影到模具表面才可获得较好的结果。曲面投影加工适用于较平坦的曲面轮廓处理，还可用于加工注塑模的流道、筋条和字体标记等棱面处进行光整处理。

　　1.2 等高线加工方法

　　等高线加工方法是CAM软件中应用最为广泛的一种加工形式之一，其加工路径的主要特点:以恒定的切削深度和切削宽度，由高到低逐层除去加工区域的材料，加工过程平稳、安全，加工效率高。它不仅支持基于毛坯残余知识进行半精加工，而且在精加工中支持曲面斜率分析，在精加工中效果更好，它能针对不同的曲面采取不同的加工策略。等高线加工方法有时又可分为等高线区域加工和等高线轮廓加工。等高线区域加工主要用于粗加工、半精加工;而等高线轮廓加工适用于曲面的精加工，当然也是曲面抛光较理想的方法之一。

　　等高线轮廓加工适合于倾斜角较大的曲面，因其是在Z轴方向按切削深度所设定的分层加工，仅沿着每个加工层的曲面轮廓生成轨迹，因此也适合于曲面较陡峭且倾角有变化的表面，此并可按曲面陡峭的变化采用不同的加工行距和运动路径，以实现抛光的运动轨迹生成，从而获得较理想的表面质量。

　　1.3 流线精加工方法

　　由于模具表面通常有大量的曲面，而且不是单一的曲面，如采用投影加工方法是不适合的，运用流线精加工方法是这类模具曲面较理想的抛光加工方法，它能够沿着曲面的参数线方向(μ、ν两个主向)生成流畅的路径。当然有时不仅仅只是一条等参数线，而且采用两条等参数线用来加工曲面。其目的在于加工时抛光工具的一条参数线沿曲面(μ向)切削;另一参数线为(ν向)行距方向，这样容易控制曲面加工，并对不同曲率部分采取不同的行距以控制整个表面的粗糙度。

　　运用流线精加工方法，首先采取曲面重构的方法将模具的多个曲面建立一个比较接近实际的驱动曲面，再根据这个单一驱动曲面来生成等参数线驱动轨迹，然后再投影到实际模具曲面上进行模具的抛光。虽然抛光轨迹很难实现真正模具曲面等粗糙度加工，但是可以通过对曲面区域进行分解，对不同区域选择合理的运动轨迹。对于特定形状的模具表面，可优先选用比较合适的环形、放射线形和螺旋线形等，如果为普通模具表面，只要采取普通的直线型运动轨迹，并选择合适的走刀和跨距方向，就可实现较理想的抛光效果。

　　1.4 浅平面加工

　　浅平面精加工用于加工较平坦的曲面，通常只对倾斜角小于40°的区域进行表面处理，与陡斜面加工正好互补，由于某些加工方法方式会在曲面的平坦部位产生刀具路径较稀或产生残余较大的现象，用伐平面曲面加工就可弥补该部位的加工精度和表面质量。

　　2 凹模实体分析

　　摩托车头盔凹模如图2所示，它是一个典型的相对较为复杂的曲面，按照头盔凹模的形状分把头盔的表面划分为多个不同的曲面。头盔的沿口是有起伏的，型芯的分型面在沿头盔的沿口有小波浪形，凹模的顶部是较为平缓的曲面，模具的侧面属于陡峭曲面，因此对于摩托车头盔凹模应采取多种抛光运动轨迹。

　　按照头盔凹模形状，把它分解为若干区域进行抛光处理，如图3所示。①头盔模具的凹模分型面是一个环形的曲面并且曲面有一定的起伏，而非一个平面，在该区域抛光时宜运用投影加工方法;②凹模的顶部较为平缓的曲面，并属于倾斜角小于40。曲面区域，宜采取浅平面加工方法;③模具的侧面属于陡峭曲面，倾斜角大于40°，宜采用等高外线加工方法;④摩托车头盔帽沿结合处，该部分有正向圆弧和反向圆弧组成部分，属于形状曲面有突变，比较适合流线精加工方法。

　　3 MasterCAM抛光路径设计

　　3.1 头盔凹模的侧面抛光

　　头盔凹模的侧面因其表面较陡，属于陡峭曲面，对于这类表面，适用于等高线加工方法进行抛光。首先在主功能表上进行隐藏刀具路处理，其目的是关闭前一道工步的刀具路径，以避免对现执行工步的影响。然后在操作管理器中，将选择的“3一挖槽”加工，并使用粘贴操作，这样将会生成一个“4-曲面精加工一等高外形”的窗口，接着更改参数的设置刀具参数(在此选择圆角刀作为抛光头)，并设置曲面加工参数和等高外形精加工参数。在进行摸拟抛光加工时设置起始长度大于0.0，使用退回的位置不断变化，可有效地防止抛光头在退回时产生划痕，最后返回到操作管理器，系统即可按己设置的参数计算出刀具路径。将它设置为等角视图，便可生成抛光路径图4，并检视刀具路径，通过调整视角，进行缩放、旋转、平移等操作，从不同角度和区域进行观察，证实了该方法的抛光路径是合理的，并无干涉现象产生，抛光轨迹比较光滑。

　　3.2凹模的底部曲面抛光

　　凹模的底部是较为平缓的曲面，并属于倾斜角小于400的曲面区域，适合于投影加工方法。在操作过程中，选择主功能区，依次单击“回主功能，刀具路径，曲面加工，精加工，投影加工”。然后选取加工曲面和设置刀具参数，即生成此区域的抛光路径，见图5所示。并通过调整视角，从不同的角度对生成的路径检视，表明该加工方法是合理的，同时也证实了由于投影后的刀具路径只改变了Z坐标值，并没有改变X、Y方向的坐标，对子类似这样较为平坦的曲面加工，本方法不失为一种好的加工方法。参数选择时，取直径10 mm球头作为抛光工具，主轴转速3 000 r/min，进给速度3.5 m/min,最大切削间距0.1 mm，最终生成0角视投影加工抛光路径图。

　　3.3 浅平面加工

　　分型面采用浅平面曲面精加工。在主功能区依次单击“回主功能，刀具路径，曲面加工，精加工，浅平面加工”，选取加工平面，设置刀具参数，接着设置加工参数，然后设置浅平面精加工参数，最终生成抛光刀具路径。将其设置为等角视图，图6即为0度角方向浅平面加工，抛光工具表面路径也十分理想。

　　3.4 流线精加工

　　头盔帽沿结合处，由多个倒圆的生成曲面构成，采用流线加工方法可获得较好的抛光效果。由主菜单→刀具路径→曲面加工精加工→精加工流线加工，接着选取加工曲面，在曲面流线参数设置的对话框里，选择补正方向、旋转方向、步进方向和刀具路径的起始点。接着设置刀具参数和加工参数。在曲面流线参数设置的对话框里选择不同的旋转方向，分别得到图7、图8的精加工流线加工路径。参数选取时采用直径担0 mm球头作为抛光磨头。主轴转速3000 r/min，进给速度3.5 m/min。从图7和图8可以看出，曲面U方向进给路径比曲面V方向加工效果更为理想。

　　4 结束语

　　通过运用MasterCAM对抛光工具路径设计，结合摩托车头盔凹模不同曲面抛光方法的选择，可以看出，针对不同零件的曲面特征应采取不同的抛光路径生成方法。当加工倾斜角度较大，即较陡峭的曲面时采用等高廓线的抛光方法;而对倾斜角度较小，且较平坦的曲面宜采用曲面投影加工方法;对于有较多的曲面模具表面，即不是单一的曲面宜采用精加工流线加工方法。

　　对于同一个零件的不同曲面，对不同特征的曲面抛光区域应该采用不同的抛光方法进行加工，而不能简单地进行一种或两种抛光轨迹来完成所有曲面的抛光，应按其不同部位的特征将分割成不同的区域抛光方法，并对不同区域采用不同的轨迹形式和抛光器的行距。此外对于模具表面质量及精度要求较高的表面，可以采用几多种路径生成方法对表面进行抛光处理，以最终获取适合的抛光途径。