基于CAD/CAM四軸功能的圓周曲線零件加工

周尚利

（湛江機電學校，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

（湛江機電學校，廣東 湛江 524094）

四軸和多軸數控加工設備的廣泛使用，可以簡化裝夾工藝，降低刀具成本，提高加工精度。本文通過圓周曲線零件的實際加工過程，詳細論述采用MasterCAM軟件系統進行四軸加工的工藝分析、參數設定、數控編程及后處理過程,結合操作準備，自動運行加工程序，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；四軸數控加工

隨著現代制造業和計算機技術的飛速發展，計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)軟件在數控加工中應用越來越廣泛，使機械產品的加工效率和精度都產生了質的飛躍。在零件設計與制造過程中，應用MasterCAM進行繪圖、設計計算、CNC程序設計，可提高造型設計的準確性、減少設計及產品試制費用、節省材料、降低產品成本；MasterCAM新開發的四軸、多軸加工功能，廣泛應用于蝸桿、螺旋槳、模具、汽車配件和其他精密零件的加工。

現在機械加工精度的要求越來越高，零件也變得越來越復雜，加工設備也隨之發展，四軸和多軸加工設備越來越多。目前最常見的四軸加工中心通常是在標準三軸加工中心的機床上增加A軸的旋轉，從而在進行銑削加工的同時，對零件在A軸的方向上進行加工，在四軸加工中心加工的典型零件見圖1所示。在CAD/CAM技術尚未廣泛應用之前，這類零件的加工主要是在普通銑床上進行，這種方法的主要原理是，銑刀繞自身的軸線旋轉，工件裝夾在做萬能分度頭上，隨分度頭做旋轉運動的同時，又隨X軸做軸向直線運動，即工件做螺旋運動，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人員的手藝和經驗，導致零件制造過程中的差異性大，同時帶來產品修改難、質量難以保證、加工效率較低、技術延續難等問題。

圖1 典型圓周曲線零件

MasterCAM9軟件是數控加工行業廣泛采用的CAD/CAM系統。采用該軟件的CAD部分進行零件設計和利用該軟件的CAM部分進行零件制造，結合加工中心進行四軸和五軸的銑削加工。可有效解決圓周曲線零件在普通銑床和三軸加工中心中加工所帶來的諸如工序增加、多次裝夾、易過切引起不合格工件、重復對刀產生累積公差等一系列問題。使用四軸加工，切削刀具將得到很大的改善，加工工序和裝夾時間縮短，工件的表面質量提高，刀具壽命延長，有利于生產集中化，并有效提高加工效率和生產效率。

1 應用實例

采用MasterCAM軟件對圓周曲線零件（圖2）進行工藝分析、編程及仿真加工。在MasterCAM系統中，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，再是數控加工程序生成和數據傳輸，最后完成數控機床加工。運用MasterCAM的旋轉功能，選擇軸之取代，將旋轉軸A軸取代原有的Y軸，同時要設定旋轉軸直徑。四軸功能的應用是研究的重點。

圖2 二維工程圖

2 加工過程

2.1 MasterCAM軟件建模

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

2.2 零件的加工工藝設計

圓周型腔的數控加工工藝：本次數控加工由兩部分組成，數控車和數控銑。

2.2.1 數控車床工藝分析

（1）毛坯：未加工過的直徑為Φ65 mm，長度為110 mm套筒，材質為銅合金。

（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，長度為80 mm的圓柱體，鏜內孔至直徑Φ42 mm，使用三抓卡盤進行裝夾。

圖3 零件3D模型

2.2.2 加工中心工藝分析

（1）毛坯：經車削外圓和夾緊工藝準備后的銅合金毛坯。

（2）確定工序和裝夾方式：在加工中心上使用分度頭進行裝夾。

（3）走刀路線確定：對應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，橫向進給步距取刀具直徑（6 mm）的20%；進給步距1.6 mm。

（4）刀具選用：零件材料強度高，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）切削用量的設定：用查表法確定主軸轉速和進給速度。

由于此次切削量相對較少，根據經驗可知,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，由于考慮到機床的剛性不是很好，乘以修正系數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）對刀點與換刀點的確定。

對刀點在圓柱體端面的中心，換刀點在機床零點。

2.3 加工編程

在MasterCAM軟件上打開零件3D模型，進行加工編程的虛擬制造。

操作內容如下：

（1）繪制螺旋槽邊界線：繪圖→曲面曲線→單一邊界線→由實體產生。

（2）將螺旋槽邊界線展開：轉換→纏繞→串聯。

（3）生成刀具路徑：刀具路徑→外形銑銷→串聯→執行→建立刀具Φ6。

（4）利用Mastercam的第四軸旋轉替換功能，進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圖，利用CAM的外形銑銷功能，在刀具參數的選擇菜單中設定旋轉軸功能有效，選取旋轉軸，彈出界面，在軸型式選項中，選擇軸之取代，取代方式是旋轉A軸取代原有的Y軸，同時要設定旋轉軸直徑。就能生成出任意形狀圓周槽的四軸切削加工程序。

在旋轉軸選擇框前打鉤，點擊旋轉軸選擇框，進入選擇界面。

根據初始的已知條件：旋轉第四軸安裝在機床工作臺上，旋轉軸平行于X軸。加工時X軸與旋轉A軸聯動，Z軸作為深度方向的進給軸。所以旋轉型式選項選擇軸之替代，軸之替代選項選擇取代Y軸，旋轉方向選擇順時針，已知圓柱直徑50，設定旋轉軸直徑50（見圖4）。

選擇、設定完選項和參數后，按確定接受以上的選擇、設定（見圖5）。

設定完參數及選項，點擊確定。

計算機開始計算刀具路徑軌跡，理論曲面、補償曲面、刀具軌跡先后顯示在屏幕上（見圖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個平均分布的螺旋槽，將刀具路徑進行轉換。

（5）仿真檢驗：點擊V實體驗證按鈕仿真圓周模腔的銑削加工過程。點擊參數設定按鈕。進入仿真條件、參數設定界面。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定為50。設定第一點0、第二點94，按確定。

參數設定如圖7所示。

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

圖4 旋轉軸的設定

圖5 參數設定

彈出后置處理設定對話欄：在后處理程序對話框當中，選擇保存NC文件，選擇編輯并點擊詢問。

選取完，點擊確定。將刀具路徑（NCI），通過后處理轉換成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NC文件，進行參數設置，然后傳送到CNC加工中心。

將工作方式選擇開關旋至程序編輯位置，按下PROG功能鍵，點擊“操作”軟件，選擇下一頁，點擊“READ” ，通過“EXEC”軟件進行程序檢索，此時單擊CIMCO軟件的NC Functions菜單下的send功能，開始發送程序并進行加工。

TG659

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

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.073

周尚利（1969-），男，機械講師，1993年畢業于江蘇工學院金屬材料及熱處理專業，主要從事機械基礎、數控編程與加工的教學與研究工作。

2015-11-02