周尚利

（湛江機(jī)電學(xué)校，廣東 湛江 524094）

基于CAD/CAM四軸功能的圓周曲線零件加工

Peripheral curve parts machining based on CAD / CAM fouraxis function

周尚利

（湛江機(jī)電學(xué)校，廣東 湛江 524094）

四軸和多軸數(shù)控加工設(shè)備的廣泛使用，可以簡(jiǎn)化裝夾工藝，降低刀具成本，提高加工精度。本文通過(guò)圓周曲線零件的實(shí)際加工過(guò)程，詳細(xì)論述采用MasterCAM軟件系統(tǒng)進(jìn)行四軸加工的工藝分析、參數(shù)設(shè)定、數(shù)控編程及后處理過(guò)程,結(jié)合操作準(zhǔn)備，自動(dòng)運(yùn)行加工程序，從而將銅合金圓柱體毛坯加工成理想零件。

MasterCAM；CAD/CAM軟件；圓周曲線零件；四軸數(shù)控加工

隨著現(xiàn)代制造業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)軟件在數(shù)控加工中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使機(jī)械產(chǎn)品的加工效率和精度都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。在零件設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，應(yīng)用MasterCAM進(jìn)行繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、CNC程序設(shè)計(jì)，可提高造型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、減少設(shè)計(jì)及產(chǎn)品試制費(fèi)用、節(jié)省材料、降低產(chǎn)品成本；MasterCAM新開(kāi)發(fā)的四軸、多軸加工功能，廣泛應(yīng)用于蝸桿、螺旋槳、模具、汽車配件和其他精密零件的加工。

現(xiàn)在機(jī)械加工精度的要求越來(lái)越高，零件也變得越來(lái)越復(fù)雜，加工設(shè)備也隨之發(fā)展，四軸和多軸加工設(shè)備越來(lái)越多。目前最常見(jiàn)的四軸加工中心通常是在標(biāo)準(zhǔn)三軸加工中心的機(jī)床上增加A軸的旋轉(zhuǎn)，從而在進(jìn)行銑削加工的同時(shí)，對(duì)零件在A軸的方向上進(jìn)行加工，在四軸加工中心加工的典型零件見(jiàn)圖1所示。在CAD/CAM技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用之前，這類零件的加工主要是在普通銑床上進(jìn)行，這種方法的主要原理是，銑刀繞自身的軸線旋轉(zhuǎn)，工件裝夾在做萬(wàn)能分度頭上，隨分度頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，又隨X軸做軸向直線運(yùn)動(dòng)，即工件做螺旋運(yùn)動(dòng)，刀刃就可以在工件上銑切出螺旋槽，這些加工方法依賴于技術(shù)人員的手藝和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致零件制造過(guò)程中的差異性大，同時(shí)帶來(lái)產(chǎn)品修改難、質(zhì)量難以保證、加工效率較低、技術(shù)延續(xù)難等問(wèn)題。

圖1 典型圓周曲線零件

MasterCAM9軟件是數(shù)控加工行業(yè)廣泛采用的CAD/CAM系統(tǒng)。采用該軟件的CAD部分進(jìn)行零件設(shè)計(jì)和利用該軟件的CAM部分進(jìn)行零件制造，結(jié)合加工中心進(jìn)行四軸和五軸的銑削加工?？捎行Ы鉀Q圓周曲線零件在普通銑床和三軸加工中心中加工所帶來(lái)的諸如工序增加、多次裝夾、易過(guò)切引起不合格工件、重復(fù)對(duì)刀產(chǎn)生累積公差等一系列問(wèn)題。使用四軸加工，切削刀具將得到很大的改善，加工工序和裝夾時(shí)間縮短，工件的表面質(zhì)量提高，刀具壽命延長(zhǎng)，有利于生產(chǎn)集中化，并有效提高加工效率和生產(chǎn)效率。

1 應(yīng)用實(shí)例

采用MasterCAM軟件對(duì)圓周曲線零件（圖2）進(jìn)行工藝分析、編程及仿真加工。在MasterCAM系統(tǒng)中，先完成零件幾何造型，然后是刀具路徑生成，其次是加工模擬仿真，再是數(shù)控加工程序生成和數(shù)據(jù)傳輸，最后完成數(shù)控機(jī)床加工。運(yùn)用MasterCAM的旋轉(zhuǎn)功能，選擇軸之取代，將旋轉(zhuǎn)軸A軸取代原有的Y軸，同時(shí)要設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸直徑。四軸功能的應(yīng)用是研究的重點(diǎn)。

圖2 二維工程圖

2 加工過(guò)程

2.1 MasterCAM軟件建模

在確定選用MasterCAM9.0軟件作為零件設(shè)計(jì)與制造的平臺(tái)后，即可按下敘步驟開(kāi)始具體工作：已知圓周曲線零件的圓柱直徑內(nèi)孔為Φ 42 mm，螺距為150 mm，按圖繪制零件3D模型（圖3）。

2.2 零件的加工工藝設(shè)計(jì)

圓周型腔的數(shù)控加工工藝：本次數(shù)控加工由兩部分組成，數(shù)控車和數(shù)控銑。

2.2.1 數(shù)控車床工藝分析

（1）毛坯：未加工過(guò)的直徑為Φ65 mm，長(zhǎng)度為110 mm套筒，材質(zhì)為銅合金。

（2）確定工序和裝夾方式。本次車削加工的工序有：車套筒外圓，使其表面光滑，其中一端直徑為Φ60 mm；在套筒的另一端車直徑為Φ50 mm，長(zhǎng)度為80 mm的圓柱體，鏜內(nèi)孔至直徑Φ42 mm，使用三抓卡盤進(jìn)行裝夾。

圖3 零件3D模型

2.2.2 加工中心工藝分析

（1）毛坯：經(jīng)車削外圓和夾緊工藝準(zhǔn)備后的銅合金毛坯。

（2）確定工序和裝夾方式：在加工中心上使用分度頭進(jìn)行裝夾。

（3）走刀路線確定：對(duì)應(yīng)于圓周型腔模具的凸腔形狀可選用雙向銑削，粗加工選用一般挖槽，每層最大切削深度1 mm，橫向進(jìn)給步距取刀具直徑（6 mm）的20%；進(jìn)給步距1.6 mm。

（4）刀具選用：零件材料強(qiáng)度高，選用高速鋼銑刀，刀具耐用度高，效率高。分粗、精加工，從切削性能和加工的表面粗糙度情況考慮，粗精加工均選用Φ6平頭銑刀。

（5）切削用量的設(shè)定：用查表法確定主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度。

由于此次切削量相對(duì)較少，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,鋁合金允許的切削速度取V=60 m/min，刀具每齒切削量取Sz=0.04 mm/齒，由于考慮到機(jī)床的剛性不是很好，乘以修正系數(shù)0.6。故：

n=1 000V/πD=（1 000×60）/（3.14×6）=3 185 r/min ，取n=3 200r/min.

F=2Sz×n=2×0.04×3 185=254 mm/min，

取F=250 mm/min.

（6）對(duì)刀點(diǎn)與換刀點(diǎn)的確定。

對(duì)刀點(diǎn)在圓柱體端面的中心，換刀點(diǎn)在機(jī)床零點(diǎn)。

2.3 加工編程

在MasterCAM軟件上打開(kāi)零件3D模型，進(jìn)行加工編程的虛擬制造。

操作內(nèi)容如下：

（1）繪制螺旋槽邊界線：繪圖→曲面曲線→單一邊界線→由實(shí)體產(chǎn)生。

（2）將螺旋槽邊界線展開(kāi)：轉(zhuǎn)換→纏繞→串聯(lián)。

（3）生成刀具路徑：刀具路徑→外形銑銷→串聯(lián)→執(zhí)行→建立刀具Φ6。

（4）利用Mastercam的第四軸旋轉(zhuǎn)替換功能，進(jìn)行任意形狀圓周槽的加工方法。在Mastercam中繪制出圓周槽的二維展開(kāi)圖，利用CAM的外形銑銷功能，在刀具參數(shù)的選擇菜單中設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸功能有效，選取旋轉(zhuǎn)軸，彈出界面，在軸型式選項(xiàng)中，選擇軸之取代，取代方式是旋轉(zhuǎn)A軸取代原有的Y軸，同時(shí)要設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸直徑。就能生成出任意形狀圓周槽的四軸切削加工程序。

在旋轉(zhuǎn)軸選擇框前打鉤，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)軸選擇框，進(jìn)入選擇界面。

根據(jù)初始的已知條件：旋轉(zhuǎn)第四軸安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)軸平行于X軸。加工時(shí)X軸與旋轉(zhuǎn)A軸聯(lián)動(dòng)，Z軸作為深度方向的進(jìn)給軸。所以旋轉(zhuǎn)型式選項(xiàng)選擇軸之替代，軸之替代選項(xiàng)選擇取代Y軸，旋轉(zhuǎn)方向選擇順時(shí)針，已知圓柱直徑50，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸直徑50（見(jiàn)圖4）。

選擇、設(shè)定完選項(xiàng)和參數(shù)后，按確定接受以上的選擇、設(shè)定（見(jiàn)圖5）。

設(shè)定完參數(shù)及選項(xiàng)，點(diǎn)擊確定。

計(jì)算機(jī)開(kāi)始計(jì)算刀具路徑軌跡，理論曲面、補(bǔ)償曲面、刀具軌跡先后顯示在屏幕上（見(jiàn)圖6）。

按回上一功能菜單→操作管理，彈出操作管理器菜單，零件圓柱面上是3個(gè)平均分布的螺旋槽，將刀具路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（5）仿真檢驗(yàn)：點(diǎn)擊V實(shí)體驗(yàn)證按鈕仿真圓周模腔的銑削加工過(guò)程。點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)定按鈕。進(jìn)入仿真條件、參數(shù)設(shè)定界面。工件的型式選擇圓柱體,圓柱之軸向 即A軸的軸向選擇X軸，圓柱的直徑即工件圓柱的直徑設(shè)定為50。設(shè)定第一點(diǎn)0、第二點(diǎn)94，按確定。

參數(shù)設(shè)定如圖7所示。

完成仿真精加工過(guò)程效果，退出切削仿真，回到操作管理界面。點(diǎn)擊P后處理生成界面中的程序。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定

圖5 參數(shù)設(shè)定

彈出后置處理設(shè)定對(duì)話欄：在后處理程序?qū)υ捒虍?dāng)中，選擇保存NC文件，選擇編輯并點(diǎn)擊詢問(wèn)。

選取完，點(diǎn)擊確定。將刀具路徑（NCI），通過(guò)后處理轉(zhuǎn)換成NC程序，再利用DNC方式傳送到加工中心。

在CIMCO Edit Lite 4.0軟件中打開(kāi)NC文件，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后傳送到CNC加工中心。

將工作方式選擇開(kāi)關(guān)旋至程序編輯位置，按下PROG功能鍵，點(diǎn)擊“操作”軟件，選擇下一頁(yè)，點(diǎn)擊“READ” ，通過(guò)“EXEC”軟件進(jìn)行程序檢索，此時(shí)單擊CIMCO軟件的NC Functions菜單下的send功能，開(kāi)始發(fā)送程序并進(jìn)行加工。

TG659

1009-797X (2015) 24-0178-04

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.073

周尚利（1969-），男，機(jī)械講師，1993年畢業(yè)于江蘇工學(xué)院金屬材料及熱處理專業(yè)，主要從事機(jī)械基礎(chǔ)、數(shù)控編程與加工的教學(xué)與研究工作。

2015-11-02