佛新崗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院航空制造工程系，西安 710089)

基于MasterCAM的數(shù)控加工零件尺寸精度控制研究

佛新崗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學院航空制造工程系，西安 710089)

結(jié)合MasterCAM軟件研究了刀具補正、XYZ方向預留量、XYZ平面多次加工等方法在零件加工質(zhì)量控制中的作用，通過合理設置加工參數(shù)來控制零件尺寸的加工精度。主要介紹了MasterCAM刀具補正和XYZ預留量的綜合應用，通過在半精加工、精加工中合理設置加工余量和補正量來保證零件的加工尺寸的精度。

MasterCAM;刀具補正;精度控制

0 引言

MasterCAM中二維加工功能中模塊主要有:外形銑削、挖槽加工、鉆孔加工、平面銑削等四種，合理的利用各個模塊的參數(shù)設置可以使零件的加工質(zhì)量得到大大的提高。譬如外形銑削中的刀具半徑補償功能的應用，巧妙的利用其參數(shù)設置可以對零件中有公差要求的尺寸進行精確的加工，達到事半功倍的效果［1］。

1 MasterCAM零件尺寸精度控制方案

1.1 刀具補正與XYZ預留量功能的應用

數(shù)控機床中NC程序所控制的是刀具中心的軌跡，而零件提供的是零件加工后應達到的設計尺寸。采用刀具半徑補償功能可以直接用圖樣的尺寸編程，然后由數(shù)控機床的控制器或由MasterCAM軟件將刀具的半徑值補償進去，即將刀具中心從程序路徑向指定方向偏移刀具半徑的距離。刀具半徑補償有左補償、右補償、不補償(刀心軌跡和工件輪廓重合)三種情況。圖1表示了左右補償方式。

圖1 刀具左、右補償

MasterCAM9.1中二維加工中外形銑削加工有關設置刀具半徑補償?shù)捻撁嫒鐖D2，MasterCAM9.1有五種補償形式［2-3］:

(1)電腦補償

電腦補償由MasterCAM軟件實現(xiàn)，在計算刀具路徑時將刀具中心向指定方向偏移與刀具半徑相當?shù)木嚯x(不考慮刀具磨損)，產(chǎn)生的NC程序中已經(jīng)是補償后的坐標值，并且程序中不含有刀具補償指令(G41、G42、G40)。補償選項可以根據(jù)加工要求設定為左補償、右補償、不補償。

圖2 MasterCAM刀具半徑補償參數(shù)設置

(2)控制器補償

選用控制器補償時，MasterCAM所生成的NC代碼是根據(jù)加工零件圖形的設計尺寸計算坐標，并會在程序的某些行中加入刀具補償指令(G41、G42、G40)及補償號碼(D00～D99)。機床執(zhí)行該程序時由控制器根據(jù)這個補償指令計算刀具中心的坐標軌跡。補償值存儲在機床指定的暫存器內(nèi)，補償值可以是刀具實際直徑，或者是實際刀具直徑與粗精加工余量之和(不考慮刀具磨損)，加工之前應在數(shù)控裝置中設定。補償形式如表1所示。

表1 控制器補償形式

(3)兩者補償

指同時具有電腦補償和控制器補償功能。

(4)兩者反向補償

指同時具有電腦補償和控制器補償，但是控制器補償?shù)钠品较蚺c設置的加工方向相反。

(5)補償關

刀具刀位點軌跡與工件輪廓重合。

在MasterCAM編程過程中一般采用電腦補償，而將控制器補償關閉。但是如果考慮到實際刀具的磨損，一般是用電腦補償對指定的刀具進行補償，然后再將實際刀具與指定刀具直徑之差(磨損量)由控制器來補償。當兩個刀具直徑相同時，暫存器中補償值為0，否則補償值是兩個直徑之差值。這樣即使刀具磨損、重磨或更換新的不同直徑的刀具來加工相同零件尺寸時，只需要修改數(shù)控機床控制器中的補償值即可，而不需要修改NC程序［4-6］。

下面以圖3刀具補償加工示意圖主要介紹電腦補償、控制器補償、電腦與控制器兩者補償?shù)木唧w應用。

圖3 刀具補償示意圖

這里假設L為零件加工后最終尺寸，L1為零件進行半精加工之后測量的實際尺寸，L2為零件半精加工之后設定的理論尺寸(不考慮刀具、機床等外界因素的影響)，Δ1為半精加工時設定的預留量(單邊余量，即精加工余量)，“XY方向預留量”以下用δ表示。

1.1.1 電腦補償參數(shù)設置

利用電腦補償實現(xiàn)刀具半徑補償功能時，主要是通過修改δ的值達到粗精加工、控制零件精度的目的，但同時也要考慮刀具的磨損、重磨、換刀等問題，也就是刀具變化時對δ設定值的影響，因此以下通過兩方面說明電腦補償時相關參數(shù)的設置問題:

(1)刀具直徑不變

當初始用新刀具加工零件時，刀具直徑基本不變，這時δ的值主要就是粗精加工余量的設定。

半精加工時:

精加工考慮零件不對稱尺寸公差時:

精加工無條件時:

(2)刀具直徑變化

當實際加工中由于各種原因產(chǎn)生刀具磨損、重磨或換刀時，刀具直徑就產(chǎn)生了變化。這時δ值的確定在考慮粗精加工余量的同時還要考慮刀具直徑變化的影響。

半精加工時:

精加工考慮零件不對稱公差時:

精加工無條件時:

當然也可以把刀具直徑變化在半精加工中進行補償，精加工中就不用考慮了。

1.1.2 控制器補償參數(shù)設置

利用控制器進行刀具半徑補償時，一般情況下δ=0。因為使用控制器補償時主要應用NC代碼中的G41 DXX、G42 DXX、G40等指令，通過修改數(shù)控裝置中的刀具半徑補償值實現(xiàn)零件的粗精加工、精度控制，同時也要考慮刀具的直徑變化影響。

(1)刀具直徑不變

半精加工時:

精加工考慮不對稱公差時:

精加工無條件時:

(2)刀具直徑變化

當實際加工中由于各種原因產(chǎn)生刀具磨損、重磨或換刀時，刀具直徑就產(chǎn)生了變化。這時DXX值的確定在考慮粗精加工余量的同時還要考慮刀具直徑變化的影響。

半精加工時:

精加工考慮零件不對稱公差時:

精加工無條件時:

當然也可以把刀具直徑變化在半精加工中進行補償，精加工中就不用考慮了。

1.1.3 兩者補償

電腦補償和控制器聯(lián)合補償時生成的刀具軌跡為:首先刀心軌跡偏移零件輪廓一段刀具半徑距離;其次數(shù)控系統(tǒng)通過后處理器生成的NC代碼中DXX在數(shù)控裝置暫存器中還要設置補償值，在考慮刀具直徑變化與否的同時進行零件的粗精加工、尺寸精度控制。電腦補償主要通改變δ值實現(xiàn)刀具的半徑補償功能，要不斷的生成新的程序才能進行零件的加工，相當比較繁瑣，但其一般不會產(chǎn)生過切削?？刂破餮a償主要通過改變DXX值實現(xiàn)刀具的半徑補償功能，不用修改程序，但有時會在復雜交面加工中產(chǎn)生過切削刀具軌跡，主要用于精加工。二者各有利弊，兩者同時補償就可以消除各自的缺點，使二者補償方法的優(yōu)勢得到有效的結(jié)合，可以大大提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。

一般情況下，在整個補償過程中設δ=0，主要通過控制器補償實現(xiàn)刀具半徑的補償功能。在數(shù)控機床控制器生成的NC代碼中修改DXX值，結(jié)合刀具直徑值的變化實現(xiàn)零件的粗精加工、質(zhì)量控制。若要同時考慮δ值和DXX值實現(xiàn)刀具的半徑補償功能，那將是非常龐大的一項工程。下面主要討論在δ=0、指定刀具直徑等于實際刀具直徑的情況下修改DXX值實現(xiàn)補償?shù)那闆r:

(1)半精加工

(2)精加工時

①考慮零件不對稱公差時

②無條件時

兩者反向補償和兩者補償基本原理差不多，不補償就是刀具刀位點沿著工件輪廓加工，這里不予討論。

1.2 XYZ平面多次加工功能的應用

若單獨利用圖2中XY平面多次銑削來實現(xiàn)零件的粗精加工，則會產(chǎn)生過切現(xiàn)象;若綜合利用刀具補正、XY預留量、XY平面多次加工實現(xiàn)零件的粗精加工，又太過麻煩，所以這里只討論刀具補正、XY平面多次銑削實現(xiàn)零件的粗精加工。在考慮刀具補正、XY平面多次銑削綜合應用的同時，要注意選擇合適的補償方式:選擇電腦補償，則隨著刀具的變化要不斷重新生成程序，極為不便;選擇控制器補償或兩者補償，可以按照圖4設置粗精加工參數(shù)，可以一次完成粗精加工，但這種方法的缺點是不能滿足零件多次粗精加工余量不一致的需要，所以實際生產(chǎn)中一般不采用。

圖4 XY平面多次銑削設定

當然也可以單獨利用刀具補正、XYZ預留量、XYZ平面多次加工其中的一種方法對零件的尺寸精度進行控制。另外Z方向的加工精度控制參數(shù)設置主要通過Z方向預留量、Z軸分層銑削來實現(xiàn)，情況比較單一，這里不予討論。

2 尺寸精度控制方法綜合應用

下面舉例說明在MasterCAM9.1中如何使用刀具半徑補償功能實現(xiàn)零件的粗精加工，加工零件如圖5所示。已知加工參數(shù)為:φ10平底銑刀外形銑削，精加工余量為0.5mm，圓弧進退刀半徑為10mm。(假設在加工過程中刀具無磨損，這里的粗加工就相當于上面討論的半精加工)

圖5 零件圖

根據(jù)以上討論，由MasterCAM9.1軟件可以得出該零件分別在電腦補償、控制器補償下的刀具軌跡如圖6和圖7所示(這里δ=0)。

圖6 電腦補償軌跡

圖7 控制器補償軌跡

由式(1)至(15)可得如下結(jié)果:

(1)電腦補償粗精加工參數(shù)計算

粗加工:δ=Δ1=0.5mm，此時刀具軌跡到零件輪廓距離為5.5mm(R+δ)。

精加工:δ=0(補償軌跡如圖6)，此時刀具軌跡到零件輪廓距離為5mm(刀具半徑)。

(2)控制器補償粗精加工參數(shù)計算

粗加工:DXX=R+Δ1=5mm+0.5mm=5.5mm

精加工:DXX=R=5mm

(3)兩者同時補償時參數(shù)計算

根據(jù)二者同時補償時的規(guī)定，這里首先進行電腦補償，而且δ值為0，而后再用控制器補償。其粗精加工參數(shù)設置如下:

粗加工:δ=0，DXX=Δ1=0.5mm，此時刀具軌跡到零件輪廓的距離為5.5mm(電腦補償時刀具軌跡到零件輪廓距離與控制器補償時刀具軌跡到零件輪廓距離之和，即R+DXX)。

精加工:δ=0，DXX=0，此時刀具軌跡到零件輪廓的距離為5mm。

這里如果要通過改變δ值實現(xiàn)刀具的半徑補償功能的話，那參數(shù)設置就不唯一了，就像數(shù)學里面的排列組合一樣。在這里只要保證粗加工時:δ+DXX=Δ1;精加工時:δ+DXX=0就可以了。

從以上結(jié)果可以看出，無論是使用電腦補償、控制器補償或者二者同時補償，粗精加工時刀具軌跡到零件外輪廓的距離都是一樣的，也就是都實現(xiàn)了刀具的補償功能，效果一致。

3 結(jié)束語

當然，在實際生成過程中刀具使用時間長了肯定會磨損的，這一點也會影響到刀具補償參數(shù)的設定。另外，從提高編程效率的角度來說，電腦補償相比控制器補償要差一些。因為通過電腦補償實現(xiàn)零件粗精加工時每次都要生成新的數(shù)控程序，再重新輸入數(shù)控系統(tǒng)，那么加工效率就降低了;而采用控制器補償實現(xiàn)零件的粗精加工時只需修改原程序中的刀具半徑補償值，即DXX值就可以了。還有一點就是當兩者補償同時進行時，只要δ值確定，那么通過刀具半徑補償功能實現(xiàn)零件粗精加工的情況就和控制器補償時一樣了，否則效果會更差。

［1］張國雄.三座標測量機(第一版)［M］.天津:天津大學出版社，1999.

［2］鄧奕.MasterCAM數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［3］李健，等.CAD/CAM自動編程中尺寸公差的保證［J］.組合機床與自動化技術(shù)，2004(7):55-57.

［4］佛新崗.基于MasterCAM非曲面零件的快速加工及對刀技巧［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2010(5):104-106.

［5］張導成，等.MasterCAM刀具半徑補償功能的應用［J］.新技術(shù)新工藝，2006(1):44-45.

［6］杜家熙.刀具半徑補償中的過切處理［J］.機床與液壓，2004(6):174-176.

NC Machining of Parts Dimension Precision Control Based on the MasterCAM

FO Xin-gang
(Department of Aeronautical Manufacturing Engineering，Xi’an Aeronautical Vocation and Technical College，Xi’an 710089，China)

MasterCAM software research with the tool to make corrections，XYZ direction of reserved space，XYZ plane and multiple processing methods such as process quality control in part the role of processing parameters set by a reasonable size to control the precision parts.MasterCAM tool corrections are introduced and integrated application of XYZ amount set aside by the semi-finishing，finishing in a reasonable amount to set allowances and make corrections to ensure the accuracy of the machining dimensions.

MasterCAM;tool correction;precision control

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)01-0099-04

2011-06-09

佛新崗(1981—)，男，陜西富平人，西安航空職業(yè)技術(shù)學院航空制造工程系計算機輔助設計與制造教研室講師，工學碩士，研究方向為計算機輔助設計與制造、數(shù)控加工，(E-mail)xgfo@163.com。

(編輯 李秀敏)