集装箱货运站:复杂3-D曲面编程的方法与技巧1

我所有的3-D编程经验均来自于Mastercam软件。我所用的许多术语都是Mastercam中使用的，但是大多数CAM系统都有一些类似的特征。虽然这些特征的名称并不相同，但在您的系统中仍具有同样的功能。

模具曲面

为了获得一个良好的曲面刀具路径，您必须以一个良好的曲面为起始。如果您用来生成曲面所应用的软件与您用来生成刀具路径的软件不同，您最好花些时间先检查所生成的曲面。

您需要定义“正曲面法线”的方向。曲面法线是在曲面上通过一个切点与切面相垂直的一条矢量。它可以附属在每一个单独表面，而不是一个具体的工件外形。在下图中，绿色箭头指的是矢量通过与曲面的交点垂直于曲面，而且它们指向正曲面法线。

每一个曲面有两个法线，方向相反。一个方向为正（向前，向外）；另一个方向为负（向后，向里）。正法线曲面通常是您所加工的曲面。当一个曲面被生成时，默认法线的方向是基于定义曲面的方向而决定。在您加工模具时会出现一个问题，正法线中一些方向向里，一些方向向外。必须改变这些法线的方向，使所有的法线指向同一方向。在下面的图例中，左面曲面中正法线指向外测，右面曲面中正法线指向内侧。

确认曲面法线方向是非常重要的，因为它会影响由曲面生成曲线时的偏置方向，平面投影至曲面的法线方向，及在两个面之间生成另一个连接曲面的方向。

同时，也请检查曲面生成公差或最大表面公差，在曲面上生成曲线时的最大距离。如果公差被定义过大，将不能够加工出理想的表面。

技巧：我通常设置最大的表面分离公差为0.00005" (0.0013mm)。

选择正确的曲面刀具路径

所有的CAM系统提供了多种曲面刀具路径。在选择曲面粗加工路径时，根据工件的成品形状和您所预留的加工裕量来决定所采取的刀具路径。如果您想在工件的内部切削（也就是切一个槽）曲面槽刀具路径通常是一个明智的选择。如果您想加工一个实体或者是切削一个工件的外形，最好选择曲面轮廓表面加工路径。大多数曲面粗加工以等深的Z轴方向向下步进，同时，为精加工的曲面留下特定的裕量。在粗加工中，Z轴的阶深会影响精加工裕量。阶深越大，精加工的裕量也就越大；反之，阶深越小，精加工的裕量也就越小。

显然在Z轴方向小步进将会增加加工时间，所以在编程时主要考虑三个主要因素：材料类型、精加工刀具尺寸和要求的表面光洁度。如果您加工比较软的材料，例如铝或软钢，粗加工所留下的大块材料不会对精加工有太大的影响。如果您加工比较硬或难切削的材料时，当刀具开始接触到粗加工所留下来的均匀的加工面时，您的刀具可能会变形，从而产生不均匀的光洁度。

有两种常规的方法可解决这个问题，在粗加工中应用较小的Z轴步进量或者是增加一个半精加工刀具路径可以比精加工刀具路径粗糙。同时，使用另一把刀可以使和精加工一样的刀具尺寸的刀，但是必须是另外的刀具。如此一来就可以避免在精加工和半精加工时使用同一把刀具，导致磨损加快。

技巧：通常地，半精加工路径将留有0.005"到0.015" (0.127到0.381 mm)做为精加工裕量。

在粗加工时，使用较小的Z轴步进量及仿形铣刀可以减少加工时间。仿形铣刀是一种装有圆形切削片的铣刀盘，但是它并不像与球头铣刀般有着正圆的外形。这类圆形的切削片因为所切出的切削并不等原，所以进给速度可以较快，取决于切削深度，进给切入角可以从0度到90度，一般说来，仿型刀在切削时是十分平顺的。下图：大型圆刀片端铣刀，也是所谓的“仿形铣刀具”或“钮式刀具”。

因为它被设计用切削片与工件作大面积的接触，不同于一般的铣刀盘，所以它是一种很壮的刀具，可以以较高的进给切削从而缩短加工时间。在作等深的Z轴步进时，不同于90度的端面铣刀，圆形的刀片同时可以让您在粗铣非垂直表面时，留下较小的裕量。绝大多数的硬质合金刀具制造商都生产这类的铣刀盘，您可以选择不同的铣刀盘制经济不同的切削片直径来满足不同的加工需求。

图：以任意的Z轴切削深度使用仿形铣刀具时，将留有教少的切削余量。

曲面精加工路径

选择表面精加工路径不是一件易事。为了获得高质量的曲面精加工路径，必须了解一些基本的概念。在99%的加工中，精加工刀具路径是由球形铣刀生成的。这种形状允许它可以在所有的表面上移动，在球面上的任何点都可以切削。例如，将一颗钢珠放在碗中，您可以在碗中将钢珠滚至任何位置，而该钢珠与碗都是点接触，这个点取决于钢珠在碗中的位置，而接触点我们称为切点。

图：在图中, 碗状物的半径是0.250" (6.35 mm), 球形刀具的半径是0.125" (3.175 mm).

下一个概念是径向步进.。径向步进是两个连续平行切削的中心距离。当径向步进增加的时候，尖端高度将会较高。尖端高度是决定加工曲面光洁度的首要因素。尖端高度为0.00003"到0.00005"（0.00076到0.00127mm）时，您可以得到不错的表面光洁度。因为尖端高度是由径向步进（rso）和刀具直径而定，所以我们可以得出以下是计算平面尖端高度的公式：

当选择精加工刀具路径的时候，首先要考虑所需要的表面光洁度。如果您加工一个模具，曲面光洁度必须格外光滑，与切削一个具有较大光洁度公差的曲面相比，您将做出不同的选择。

第一种类型的精加工刀具路径为平行路径。刀具进给以直线平行来通过整个加工曲面。这些直线型切削不一定会平行于机床轴。它可以在任何角度加工，但是所有通过曲面的加工路径都要平行的。在大多数情况下，这样的刀具路径可以切出最好的表面光洁度。

平行的刀具路径可以以两种方式完成——往复式及单向式。单向式刀具路径在沿某轴方向走刀之前，以快速移动的方式将Z轴升高，回到起始点旁的一个步进距离，Z轴降低，在平行于前一方向走刀，依此循环。值得一提的是，所有的切削进给方向是平行的。往复式刀具路径是在刀具路径平行往复变换，变换距离为一个步进。

技巧：根据我的经验，平行铣削将会产生较好的表面光洁度，但是花费时间较长，因为它在每一次走刀的行程都必须反复定位。Z形铣削在一个方向是顺铣，在另一个方向是逆铣。这通常会产生不均匀的表面，在质地较硬或难切的材料时，刀具磨损会较快。

环形刀具路径是另外一种常用路径。在整个曲面，环形铣精加工路径能够在加工曲面上保持一致的高度。刀具一直与曲面相接触，使收缩运动减少到最小。这种路径的工作方式非常好，它可以从外部开始以环形向中心运动，或者是从中心开始向外部以环形运动。缺点是不论它向外部运动或者是向中心运动，当在曲面上改变切削方向时，会在加工过的表面留有“可见刀痕”。一般在半精加工过程中这种加工路径非常有效，因为它可以去除在粗加工时留下的阶状材料。当不需要特别好的表面光洁度曲面时可以用到它。