数控技能竞赛题目的完美造型与加工技巧优化

全国数控技能大赛实操讲解

【目的要求】掌握复杂零件的造型思路与方法。

【教学重点】数控加工余量设置与后续加工工艺安排。

【教学难点】综合应用各种命令完成零件的造型与加工。

一、零件三维造型

截止到2020 年，全国数控技能大赛已成功举办八届，随着数控技能大赛规范不断成熟，制度日趋完善，竞赛实操题目的考核方向也发生了变化，由追求高难度、大工作量逐渐发展成为降低难度，重点考核工艺合理安排、尺寸精度高要求等方面。

目前三维空间造型大多数是根据二维图纸来作的，所以，如何很好地理解二维三视图是能否作出实体造型的第一步。首先根据二维图纸在脑子里建立起要作的造型的空间形状，然后根据脑中建立的模型、二维图纸提供的数据和CAXA 制造工程师软件提供的造型功能确定用什么样的造型方法来作造型，这是在作三维造型时的一般规律。现在通过2016 年全国技能大赛—全国第七届数控技能大赛数控铣工（学生组）实操试题来讲解大赛实操零件的造型与数控工艺安排。实操图纸如图5－79 所示。本任务以钢件为例，完成三维造型与数控加工过程，由于铝件相对简单，故留作课后练习，加以巩固。

1.分析图纸

根据图纸提供的4 个视图要能想象出这个零件是一个什么样的空间形状。它是一个由长方体形状草图拉伸生成的主体上，圆柱、六边形、圆环槽以及孔等不同类型的轮廓特征组成，相较以往竞赛题目，作图难度大大降低；但关键尺寸的尺寸公差要求较多且较高，因此对工艺安排和加工编程提出了更高的要求，两个φ12 十字孔包含了垂直度和平行度两项行为公差要求，对选手进行零件的装夹要求较高。

图纸中确定零件形状的关键视图是主视图、俯视图和剖视图。从主视图中可以确定造型主体的总体外形尺寸，配合局部视图和剖视图便可以造出主体形状。利用图形给定的形状，首选的功能是拉伸增料、拉伸除料。主体的造型设计有两种思路：一种是由实体造型通过拉伸增料、拉伸除料和导动增多、导动除料来完成造型；另一种是通过构建实体线框，再通过曲面生成实体的功能得到造型。

2.造型步骤

（1）构建主体轮廓线。

①建立外形线框。在xOy 平面绘制草图，选择矩形工具，将其设置为“中心_长宽”，绘制一个边长为145 的正方形，如图5－80 所示。

选择拉伸增料工具，在弹出的“拉伸增料”对话框中设置“深度”为40，按回车键，生成如图5－81 所示的实体。

图5-80　绘制矩形

图5-81　拉伸增料后的效果

②建立左上方轮廓特征。鼠标左键选择刚生成的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，按照图纸要求绘制该部分轮廓曲线，效果如图5－82 所示。

图5-82　完成后的草图

③根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成的草图进行拉伸增料操作，拉伸高度为20，效果如图5－83 所示。

图5-83　左上方轮廓拉伸后的效果

④建立左下方轮廓特征。鼠标左键选择下方的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，绘制66 ×33 矩形，位置参照图纸要求，效果如图5－84 所示。

图5-84　完成后的草图

⑤根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成的草图进行拉伸增料操作，拉伸高度为10，效果如图5－85 所示。

图5-85　左下方矩形拉伸后的效果

⑥建立左下方轮廓环形槽特征。鼠标左键选择下方的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，绘制环形槽草图，尺寸、位置参照图纸要求，效果如图5－86 所示。

图5-86　完成后的草图

⑦根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成的环形槽草图进行拉伸除料操作，拉伸高度为5，效果如图5－87 所示。

图5-87　环形槽拉伸后的效果

⑧建立左下方圆弧槽轮廓特征。鼠标左键选择下方的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，绘制圆弧形槽草图，位置参照图纸要求，效果如图5－88所示。

⑨根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成草图进行拉伸增料操作，拉伸高度为10，效果如图5－89 所示。

⑩建立右上方8 个圆柱特征。鼠标左键选择下方的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，绘制8 个φ16 整圆，尺寸、位置参照图纸要求，效果如图5－90 所示。

图5-88　完成后的草图

图5-89　圆弧形槽拉伸后的效果

图5-90　完成后的草图

11根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成的环形槽草图进行拉伸除料操作，拉伸高度为5，效果如图5－91 所示。

图5-91　φ16 圆柱拉伸后的效果(www.xing528.com)

12在右上方φ16 圆柱上建立φ10 孔特征。鼠标左键选择右上角圆柱上表面，作为基准平面，选择绘制草图，选取圆柱顶面圆心，作为孔生成的特征点，效果如图5－92 所示。

图5-92　选取孔的中心点

13选择“特征”—打孔命令，对刚生成孔特征点草图进行打孔操作，参数如图5－93所示，效果如图5－94 所示。

图5-93　孔生成参数设置

图5-94　环形槽拉伸后的效果

14按照相同方法，完成φ12 直孔、M6 和M8 螺纹底孔的三维建模，效果如图5－95 所示。

图5-95　孔完成后的效果

15建立右下方六棱柱特征。鼠标左键选择下方的长方体上表面，作为基准平面，选择绘制草图，绘制对边长度为45 的正六边形，位置参照图纸要求，效果如图5－96 所示。

16根据图纸尺寸要求，对刚绘制完成六边形草图进行拉伸除料操作，拉伸高度为5，效果如图5－97 所示。

17建立右下方六棱柱上圆柱特征。绘制φ42 圆形草图，并完成草图拉伸增料操作，拉伸高度为20，效果如图5－98 所示。

18绘制φ12 两个十字交叉孔。分别绘制两个φ12 圆形草图，采用拉伸除料方式分别生成互相垂直的两个圆孔，如图5－99 所示。

图5-96　完成后的草图

图5-97　六边形拉伸后的效果

图5-98　圆柱拉伸后的效果

图5-99　十字交叉孔生成后的效果

19利用“过渡”命令对左下角矩形进行圆角过渡处理，过度圆角为R2，完成后效果如图5－100 所示。

图5-100　圆角过渡后的效果

20利用“倒角”命令对右下角圆柱顶部边线进行倒角过渡处理，过度倒角为C1，完成后效果如图5－101 所示。

二、零件的数控加工工艺分析

加工思路：等高线粗加工、等高线精加工、区域式补加工。

本零件是模具形腔类零件，有许多特征部位都是刀具无法加工到位的，必须采用电火花成形机床进行加工，所以加工工艺安排要考虑后续加工，数控机床上完成主要的部分，因此整体加工时应该选择等高线粗加工，等高线精加工和区域式补加工。

图5-101　倒角过渡后最终零件的效果

加工工艺安排

（1）定义毛坯。根据题目给出的毛坯尺寸画出线架，参照模型方式定义毛坯，如图5－102所示。

图5-102　定义毛坯

（2）等高线粗加工。选用直径为16 mm 的平底铣刀，加工余量为0.5 mm。对于某些特殊要求，如毛坯材料较软，或零件的塑性较大时，或需要使切削载存均匀化时，应考虑采用稀疏化加工方式来优化轨迹，“加工参数2”选项卡中的“稀疏化”复选框是指对等高线粗加工后的残余部分，用相同的刀具从下往上生成加工路径，如图5－103 所示。

图5-103　等高线粗加工

（3）等高线精加工。由于选用直径为8 mm 的球刀来加工，主要靠残留高度来控制加工质量，在采用等高线精加工时需要注意以下问题：①以曲面加工为主，各个部位的曲面陡坦程度不一，系统是根据设定的残留高度来计算等高线加工每次层降高度的，其大小会影响球刀的加工质量和效率，对于较陡斜面，应该防止层降过高，对于平坦面，应该防止层降过小。②对于平面部分的加工工艺，应和曲面部分有所区别，软件具有自动区分平坦部分的功能，这一部分的残留高度可以单独设置。

（4）很难有一种加工策略兼顾所有表面时，可以考虑后续单独提取曲面进行补加工，如图5－104 所示。

图5-104　等高线精加工

图5-104　等高线精加工（续）

（5）区域式补加工。此部分轨迹的目的主要是针对前面等高线加工部分和造型相比还有剩余未加工部分，所以选用刀具直径一定要比等高线加工刀具直径小，否则系统无法生成补加工轨迹，如图5－105 所示。

图5-105　区域式补加工

（6）笔式清根加工，如图5－106 所示。

至此，竞赛题目的造型、数控加工工艺分析已经全部完成，生成加工轨迹、加工轨迹仿真检查、生成G 代码程序以及生成加工工艺清单的工作在前面的例子中已经详细介绍，在这里不再赘述。

图5-106　笔式清根加工