崔立輝

（天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 301607）

MasterCAM是由美國軟件開發(fā)公司設(shè)計出來的，最早是應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的計算機(jī)輔助制造工業(yè)。金屬零件數(shù)控加工主要依托于數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)，基于數(shù)控機(jī)床技術(shù)密集度以及自動化程度較高的特點，二者在發(fā)展過程中相輔相成。在基礎(chǔ)工藝裝備生產(chǎn)領(lǐng)域，例如電子、汽車和電器等產(chǎn)品的應(yīng)用中都離不開數(shù)控加工技術(shù)。數(shù)控加工融合了信息技術(shù)與制造技術(shù)，成為傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)提升改造的標(biāo)志，金屬零件數(shù)控加工技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中日益凸顯出其重要地位。MasterCAM應(yīng)用到金屬零件數(shù)控加工中變成了涉及計算機(jī)科學(xué)、結(jié)構(gòu)分析的計算和優(yōu)化等方面的多功能技術(shù)，是一種可以提高數(shù)控機(jī)床的加工速度并可以將NC生產(chǎn)加工程序自動化綜合型技術(shù)。在發(fā)展過程中不斷將應(yīng)用范圍擴(kuò)大到數(shù)控編程、信息處理和人工智能等多學(xué)科領(lǐng)域。近年來，傳統(tǒng)數(shù)控方法面臨著無法解決耗時較長的困境，基于MasterCAM的金屬零件數(shù)控加工技術(shù)結(jié)合了數(shù)控機(jī)床效率高、精度準(zhǔn)和可塑性強(qiáng)的特點以及MasterCAM數(shù)控加工耗時較短并且自動化程度高的特點，為機(jī)械制造業(yè)提供了新的發(fā)展路徑。

1 金屬零件的數(shù)控加工方法

1.1 生成MasterCAM刀具路徑

MasterCAM刀具路徑生成通常是通過球頭刀、圓角刀和平底刀實現(xiàn)的，以加工中心為核心的數(shù)控機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速比普通類型機(jī)床的工作速度高達(dá)一倍之多。刀具路徑生成根據(jù)金屬零件的幾何形狀和尺寸精度，首先要設(shè)置合理正確的刀具參數(shù)如圖1所示，導(dǎo)入MasterCAM接口。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行操作時，需要選擇具備一定的硬度和耐度生物刀具，繼而應(yīng)用MasterCAM進(jìn)行操作。可選擇三個互相垂直的方向進(jìn)行刀具生成路徑，在移動過程中實現(xiàn)進(jìn)補(bǔ)，在其中兩個方向上實現(xiàn)迂回旋轉(zhuǎn)，與此同時，互相垂直的三個方向可以根據(jù)實際情況同時移動。MasterCAM技術(shù)下的數(shù)控機(jī)床是具有升降和旋轉(zhuǎn)功能的，可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)整工作臺的高度和角度，以此加工出在普通數(shù)控機(jī)床上無法制造的高精度金屬零件。在開展高難度金屬零件數(shù)控加工時，利用機(jī)床聯(lián)動的方式完成使用球刀、月形銑刀、圓形銑刀和其他刀具的路徑生成，該種方式屬于柔性加工方法。

圖1 刀具參數(shù)

金屬零件的數(shù)控加工可以在機(jī)床加工中心用MasterCAM自動生成的程序代碼來控制，在生成過程中，機(jī)床轉(zhuǎn)動具有間歇性回轉(zhuǎn)的特點，而刀具的運動也是呈現(xiàn)出一定的時間規(guī)律，二者生成相一致。刀具軌跡生成首先要保證刀具表面沒有其他污漬，保持干凈整潔，為接下來的打孔加工做準(zhǔn)備。在對刀具進(jìn)行加工打孔時，可以采取循序漸進(jìn)的步驟，先在刀具表面選取開孔點，利用點鉆后擴(kuò)孔的方式再進(jìn)行加工。其次，在數(shù)控加工中心利用機(jī)床聯(lián)動的方式加工出刀具輪廓。最后，通過MasterCAM在計算機(jī)上輸入已形成的刀具輪廓上進(jìn)行生成程序運行[1]。為了保證生成MasterCAM刀具路徑的準(zhǔn)確性，需要在數(shù)控機(jī)床的加工中心從二維繪圖起步，經(jīng)歷實體造型的階段，發(fā)展到參數(shù)化特征造型基本成熟的階段。在二維繪圖階段，刀具路徑形成主要以點和線為參照對象，例如刀具的孔加工和輪廓加工等。這種加工類型操作流程相對復(fù)雜，并且對數(shù)控機(jī)床操作人員的操作水平要求較高。在實體造型操作階段和參數(shù)化特征造型基本成熟的階段，都是基于刀具的實體加工。數(shù)控機(jī)床的加工中心的加工對象是刀具實體，由刀具的粗加工和半精細(xì)化加工的基礎(chǔ)參數(shù)作為參考數(shù)據(jù)，利用MasterCAM得到的層切對角線距離作為刀具。

1.2 提取金屬零件工藝特征

在MasterCAM刀具路徑生成的基礎(chǔ)上，提取金屬零件的工藝特征，為設(shè)置數(shù)控加工軌跡提供基礎(chǔ)。金屬零件的主要加工部位集中在內(nèi)外輪廓和零件的孔洞角度。對于金屬零件的整體要求其實并不是很高，需要保證金屬零件輪廓的清晰度并且尺寸較為完整。除此之外，零件的表面質(zhì)量需達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，主要構(gòu)成材料為不銹鋼體系，需具備可塑性和硬度皆為上乘的特性。在提取過程中的主要難點集中在部分金屬零件的外部輪廓壁比較薄且形狀不規(guī)則，而加工設(shè)備通常需要一定操作空間才能獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。在特征提取過程中，要最大程度地防止零件變形繼而內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此在數(shù)控加工設(shè)備選擇上需要更精細(xì)的工具。同時，為了防止壁厚尺寸誤差過大，必須采用深度分層的方式將內(nèi)外輪廓分階段進(jìn)行精加工，切割面積不能過大。一旦金屬零件的表面出現(xiàn)了微凹或者元素堆積的情況，就表明金屬零件的性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變，則需要終止提取過程。金屬元素之間的相互作用存在著不同程度的熔化和汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)床加工的進(jìn)度緩慢。數(shù)控機(jī)床加工中心對元素的化學(xué)反應(yīng)容錯度較高，即便是周圍溫度迅速上升，也不會對數(shù)控加工操作造成很大影響[2]。但是金屬零件表面析出的超熱液體會轉(zhuǎn)化為蒸氣或者熔渣，這些析出物會堆積在金屬零件表面的外輪廓，從而無法觀察金屬零件的完整特征。

通過MasterCAM的刀具路徑生成提供的參數(shù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控加工中心，使拋光機(jī)與數(shù)控加工中心連接，輸入自動運行口令，在固定的間隔時間段內(nèi)觀測金屬零件發(fā)生的實時變化。利用拋光機(jī)與MasterCAM技術(shù)的應(yīng)用，將金屬零件的加工試樣表面進(jìn)行精細(xì)拋光，直到外輪廓金屬表面的熔渣堆積物被完全打磨光滑。不同濕度下金屬零件的內(nèi)外輪廓與體積之間的變化，體積變化更為顯著。數(shù)控機(jī)床的運轉(zhuǎn)速度加快，致使元素分布在相同區(qū)域內(nèi)活躍度增加，在垂直方向上金屬元素的流動變快，并且更容易出現(xiàn)元素析出物且覆蓋面積增加。數(shù)控機(jī)床的連軸與金屬零件接觸后，材料首先可能會出現(xiàn)快速崩裂的特征，由于加工區(qū)域集中在金屬零件的中心部位，所以最先出現(xiàn)反應(yīng)特征的就是內(nèi)部中心結(jié)構(gòu)。金屬零件的元素表面張力分布情況呈現(xiàn)出從最初的中心點高于四周到與四周基本持平的現(xiàn)象。在此過程中的數(shù)控機(jī)床加工中心運行速度逐漸放緩，金屬元素在低運行速度下更能凸顯其活躍度高的特征。

1.3 設(shè)置數(shù)控加工軌跡

數(shù)控加工軌跡的設(shè)置是依托于上述兩個步驟的，即生成生成MasterCAM刀具路徑和提取金屬零件工藝特征。實現(xiàn)數(shù)控加工軌跡設(shè)置，首先要通過數(shù)據(jù)分析進(jìn)行原始軌跡的數(shù)據(jù)分析，將金屬零件的數(shù)控加工規(guī)則與步驟作為代碼輸入加工中心的核心程序。由于原始數(shù)據(jù)檢查比較不容易掌握規(guī)律，所以需要將MasterCAM技術(shù)應(yīng)用其中。研究原始數(shù)據(jù)的目的主要是為設(shè)置數(shù)控加工軌跡提供操作原型，以此減少數(shù)據(jù)偏差范圍。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)組成了新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，MasterCAM可以搜集并提取這些新增資料，并通過相應(yīng)的數(shù)控機(jī)床發(fā)出運行指令，為數(shù)控加工提供全新的運動方向。

為保證數(shù)控加工運行軌跡的合理性和可靠性，需要對原始數(shù)據(jù)的加工更加細(xì)致，通過MasterCAM，將金屬零件的運動軌跡以更加生動具體的方式展現(xiàn)出來[3]。以計算機(jī)為載體，將數(shù)控加工軌跡運行通過數(shù)字化和圖形化技術(shù)制作成動畫，其動態(tài)形式能更為實際地貼合具體數(shù)控運行軌跡。這種展現(xiàn)形式對數(shù)控機(jī)床的操作人員有著更高技術(shù)要求，由于自動化程度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)操作設(shè)備，對數(shù)控加工軌跡分析也就更加準(zhǔn)確。在數(shù)控軌跡設(shè)置過程中，應(yīng)用于MasterCAM可大大縮短因更換設(shè)備而浪費的時間。尤其是面對形狀極其復(fù)雜的金屬零件，從待加工步驟開始，數(shù)控機(jī)床對待加工零件進(jìn)行全面檢測，包括金屬零件的柔韌性、可塑性和硬度等方面。MasterCAM結(jié)合了傳感器技術(shù)和控制技術(shù)等多種尖端科技并結(jié)合數(shù)控機(jī)床的技術(shù)特點，運用其高精度和高自動化的精細(xì)設(shè)備使數(shù)控加工軌跡的設(shè)置變?yōu)榭赡?，同時為數(shù)控軌跡設(shè)置達(dá)到數(shù)字化的規(guī)范要求起到了決定性作用。

2 仿真實驗

2.1 實驗準(zhǔn)備

為了測試基于MasterCAM的金屬零件的數(shù)控加工方法的有效性，選取三種傳統(tǒng)金屬零件數(shù)控加工方法進(jìn)行對比實驗。實驗準(zhǔn)備相同密度下的數(shù)控加工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取了18組實驗數(shù)據(jù)，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行實驗，分別對比耗時長短。

數(shù)據(jù)采集、電流采集。

2.2 實驗結(jié)果

實驗數(shù)據(jù)量/組傳統(tǒng)金屬零件數(shù)控加工方法1單位s/m3傳統(tǒng)金屬零件數(shù)控加工方法2單位s/m3傳統(tǒng)金屬零件數(shù)控加工方法3單位s/m3文中金屬零件數(shù)控加工方法單位s/m3 1 12.631 13.583 12.962 10.342 2 15.272 14.691 14.872 12.393 3 17.636 16.742 18.753 15.437 4 13.594 14.252 14.846 11.971 5 15.464 16.112 15.883 12.572 6 11.796 12.335 11.924 10.032 7 14.515 15.294 14.822 11.813 8 11.744 13.225 12.091 10.123 9 16.519 14.184 15.471 12.395 10 15.632 15.177 14.632 13.081 11 16.354 15.942 15.663 13.897 12 15.852 14.634 15.713 12.487 13 11.954 12.376 12.168 10.282 14 16.212 15.871 16.014 13.542 15 15.753 16.236 16.773 12.741 16 16.682 15.981 16.437 14.476 17 18.127 17.825 16.916 13.283 18 14.664 15.171 14.355 12.092

實驗結(jié)果表明，在相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)下，基于MasterCAM的金屬零件的數(shù)控加工方法在18組實驗中，分別比傳統(tǒng)數(shù)控加工方法耗時縮短1.314s/m3～4.122s/m3不等，證明了文中金屬零件數(shù)控加工方法的高效性。

3 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)增速帶動科技發(fā)展的背景下，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮的今天，現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)與新興技術(shù)的碰撞使得機(jī)械制造業(yè)面臨著生產(chǎn)模式與應(yīng)用領(lǐng)域的雙重變革。在變革過程中，以追求周期短、種類多為核心目標(biāo)，機(jī)械制造業(yè)的主流方向不斷凸顯時代特征，傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)逐漸退出市場?；贛asterCAM的金屬零件的數(shù)控加工技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。它已成為提高我國機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的主要方式，較大程度上縮短了傳統(tǒng)金屬零件數(shù)控加工方法的加工周期，節(jié)約了大量的加工成本和時間。同時豐富了學(xué)術(shù)界關(guān)于MasterCAM以及金屬零件加工的研究內(nèi)容，對于取得相關(guān)研究成果奠定基礎(chǔ)。