基于MasterCAM的高精度空心軸數控加工工藝分析

時小廣，李雁旭

(1. 平頂山技師學院，河南 平頂山 467000； 2. 平高集團有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

空心軸在加工過程中，受夾緊力、切削熱等因素的影響易產生變形，從而導致加工精度不能滿足要求[1]。通過優化設計空心軸零件加工工藝、正確選擇刀具、合理設置切削參數，并結合計算機輔助制造模擬仿真功能，可有效克服空心軸在加工過程中產生變形和振紋等問題，進而保證加工精度，提高生產效率，縮短加工周期[2]。

MasterCAM軟件可以實現包括零件二維繪圖、三維實體造型設計、精確刀具路徑創建、數控加工程序生成及加工過程仿真模擬在內的多種工作[3-4]，現已在數控加工中廣泛應用，如李國榮[5]基于MasterCAM軟件對復雜凹模零件進行數控加工；郭鵬遠等[6]利用MasterCAM軟件自動生成汽車軸承座模具程序，并對加工過程進行仿真分析。本文以圖1所示的職院校學生數控車加工技能競賽練習件高精度空心軸為例，研究了基于MasterCAM平臺的零件數控加工過程，詳細闡述了高精度空心軸數控加工的具體方法。

圖1 空心軸三維實體模型

1 基于MasterCAM平臺的數控零件加工流程

基于MasterCAM開發平臺的數控零件加工主要流程[7-8]如圖2所示。

圖2 MasterCAM平臺上數控零件加工流程圖

空心軸裝夾時產生的夾緊力，空心軸與刀具產生的切削力以及摩擦產生的切削熱，空心軸原材料在鍛造、熱處理過程中產生的應力等，在后續機加工中產生釋放等因素，都會使空心軸在加工時發生變形[1]，從而很難保證零件有較高的加工精度。另外，內孔較長的空心軸在加工時內孔壁會由于刀具振動產生振紋。

基于上述加工難點，本文根據零件圖樣分析該空心軸的結構特性，重點研究其數控加工工藝并制定了合理的加工方案；應用MasterCAM平臺形成不同加工特征的刀具仿真路徑，并生成有效的數控加工程序；最后進行零件實體車削加工，來驗證該空心軸數控加工工藝設計的合理性。

2 零件圖樣分析

該高精度空心軸圖樣如圖3所示，具體分析如下：

圖3 空心軸零件圖

1)零件由外圓、內孔、圓錐、外槽、外圓弧槽及外螺紋等加工要素組成，內外表面有較嚴格的尺寸公差、位置公差和表面粗糙度值等要求，多處表面粗糙度要求Ra1.6μm。

2)R4圓弧槽、4mm溝槽，槽深尺寸精度要求較高；左端有M55×1.75-6g的外螺紋；軸中心為通孔，圓弧槽壁最薄處僅2mm。

3)為保證孔0.02 mm的同軸度要求，采用鎢鋼抗震內孔刀一次加工完成，因加工長度較長內孔表面易出現振紋。

4)毛坯選用45鋼Φ65棒料，長100 mm，無熱處理和其他特殊要求。

3 零件加工工藝設計

空心軸材料為45鋼。根據該類型零件的形狀特點及材料特性，確定工件裝夾方法、合理選擇刀具、制定加工工藝路線及設定切削用量等，以滿足零件圖中尺寸精度和表面粗糙度的要求。

3.1 工件的裝夾方式

采用三爪自定心卡盤定心夾緊。

3.2 數控加工刀具

工件左端選用刀具：Φ26鉆頭，Φ20鎢鋼抗震內孔刀，90°外圓車刀，刀頭長度10 mm、刀寬3 mm切槽刀，三角形外螺紋刀。

工件右端選用刀具：Φ20鎢鋼抗震內孔刀，90°外圓車刀，刀頭長度10 mm、刀寬3 mm切槽刀，刀頭長度10 mm、R1.5圓弧切槽刀。

3.3 加工方案

該空心軸的加工順序按照先粗后精、先內后外、先近后遠的原則確定。工件的整體加工過程分為加工工件左端和加工工件右端兩個階段。

a)加工工件左端

1)用三爪卡盤夾持Φ65的毛坯，伸出長度為55 mm，車端面并控制表面質量，見光即可。2)使用Φ26的麻花鉆加工，鉆通孔。3)粗精車內孔，粗車內孔至Φ30處，長98 mm，粗車后精車控制內孔長度40 mm和直徑Φ36、Φ30的尺寸及較高的表面質量。4)加工外圓至Φ58處，長48mm，粗車及精車外圓控制Φ49、Φ58的尺寸及表面質量。5)粗精車退刀槽。6)粗精加工螺紋，完成M55×1.75-6g的精度控制及較高的表面質量。拆卸工件。

主要加工參數如表1所示。

表1 空心軸左端加工的主要工藝參數

b)加工工件右端

工件調頭裝夾，用三爪卡盤夾持Φ58外圓，伸出長度為60 mm，打表找正。1)使用外圓車刀車平端面，控制工件總長及表面質量。2)精車內孔右端倒角及表面質量，并在工件右側內孔塞入橡皮泥防震。3)粗車加工右側外圓柱面至Φ58處接刀。4)粗車加工R4圓弧槽和4 mm直槽。5)精車加工右側外圓至Φ58處接刀，控制53 mm、Φ36、Φ48的尺寸及較高的表面質量。6)精車加工圓弧槽控制Φ34的尺寸，精車直槽控制4 mm、Φ40的尺寸及表面質量拆卸工件，完成加工。

主要加工參數如表2所示。

表2 空心軸右端加工的主要工藝參數

4 仿真驗證及工件實體加工

運用MasterCAM平臺建立空心軸模型，選擇與實際加工環境相同的CKA6150 塔式四工位回轉刀架數控車床，通過添加毛坯、刀具庫，設置各項加工參數，形成不同加工特征的刀具軌跡。刀具軌跡生成之后，對各個刀具路徑進行實體虛擬加工，觀察模擬過程中刀具、夾具與被加工工件是否存在干涉、碰撞等情況，檢測加工過程中是否存在漏切、過切現象，并對數控加工參數進行優化[9]。

空心軸的實體切削仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 工件左端實體仿真加工

圖5 工件右端實體仿真加工

虛擬加工結果校驗完成后，為達到預期加工要求，需根據實際情況不斷調試優化參數設置，再經MasterCAM后置處理生成實用有效的數控程序[10]。將數控程序傳輸至CAK6140數控機床，并在數控車床上進行工件加工。所加工完成的空心軸實體工件如圖6所示。該工件加工精度和表面粗糙度符合圖樣技術要求，充分驗證了工藝內容的合理性及可實施性。

圖6 空心軸實體工件

5 結語

MasterCAM仿真技術在指導實際加工過程中減少或者避免加工缺陷、縮短編程時間、提高加工效率等方面發揮了重要作用。本文分析了空心軸的結構特征，進行了完整的加工工藝分析，運用MasterCAM 模擬仿真功能進行仿真驗證，克服了加工過程中的難點，保證了零件的加工質量。對學生進行數控車加工空心軸零件的指導以及企業縮短零件加工周期、保證零件加工質量和精度具有借鑒和參考意義。