基于CAXA 制造工程師的可樂瓶底數控加工研究

劉曉超 ， 曹占光

（1.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000；2.鞏義市第一中等專業學校，河南 鄭州 451200）

隨著先進制造技術的發展，各種CAD/CAM 軟件的功能越來越強大，CAXA 制造工程師2020 是由北京數碼大方科技股份有限公司專為個人教育打造的一款行業版本國產CAD/CAM 軟件，該軟件功能較為強大，具有豐富的實體及曲面造型功能，可以實現復雜零件的三維造型設計，通過加工工藝參數的設定，選取需加工的部位，自動生成軌跡刀路，通過加工仿真、后置處理和代碼反讀來生成加工程序。文章以可樂瓶底模型為例，采用多種數控加工方法，用相同的加工參數進行加工，并對它們的加工質量與效率進行比較，為加工同類型的復雜零件選擇合適的數控加工方法。

1 可樂瓶底設計造型

造型思路：可樂瓶底的曲面可以采用網格面造型方式實現。U 向線有兩條，分別是可樂瓶底底面Φ20圓和頂面Φ90 圓曲線，V 向線有8 根截面線，它們是可樂瓶底側面輪廓曲線1 和2，曲線1 和2 相對Z軸的夾角為45°，并以Z軸為軸線，圓形陣列均布4 份，如圖1 所示。最后以瓶底的上口為準，構造一個立方體實體，然后用軟件中的裁剪功能裁剪掉曲面上邊的部分，保留凹模型腔，完成造型[1]，如圖1所示。

圖1 可樂瓶底三維造型和凹模型腔造型

2 計算機輔助加工

2.1 加工工藝分析

加工方法：先粗加工后精加工。粗加工采用等高線粗加工，精加工分別采用等高線精加工、三維偏置精加工、參數線精加工三種精加工方式。具體加工步驟為：1）用直徑為Φ10 mm 的圓柱立銑刀做可樂瓶底模型的等高線粗加工。2）用直徑為Φ10 mm 的圓柱球頭銑刀做可樂瓶底模型的精加工（等高線精加工、三維偏置精加工、參數線精加工）。3）用直徑為Φ8 mm的圓柱立銑刀做底平面精加工[2]。

2.2 生成刀具軌跡

根據可樂瓶底模型的形狀特點及工藝要求，利用CAXA 制造工程師中提供的等高線粗加工、等高線精加工、三維偏置精加工、參數線精加工、平面精加工等加工方法，根據需要選擇模型零件的曲面、平面部分，輸入相關的加工數據參數和要求，生成粗加工、精加工、平面精加工刀具軌跡和刀具切削路徑。按照等高線粗加工—等高線精加工（三維偏置精加工、參數線精加工）—底部平面精加工等加工過程，生成刀具軌跡。

3 可樂瓶底凹模型腔的加工

3.1 設定粗加工刀具及參數

刀具的選擇要綜合考慮機床的剛性及實際加工的需要。為了得到可靠的數據，加工過程中采用相同的加工刀具并設定相同的加工參數，以便得到的數據具有可比性。

1）選擇“制造”→“等高線粗加工”→“加工參數”命令。

2）設定整體余量0.5 mm、加工精度0.01 mm、層高1 mm、設定行距5 mm，頁面中可以選擇任意刀具。單擊“刀具參數”按鈕，選擇刀具類型為立銑刀，刀桿類型圓形，輸入刀具直徑10 mm。

3）設定刀具參數為：Φ10 mm 的硬質合立銑刀，粗加工主軸轉速為3 500 r/min，切削速度為400 mm/min[3]。

4）選擇幾何。根據設置提示選取加工曲面、加工毛坯等，單擊確認后系統開始計算，稍候，生成粗加工軌跡及截面圖，如圖2、圖3所示。

圖2 等高線粗加工軌跡

圖3 等高線粗加工仿真加工截面

3.2 型腔的精加工：等高線精加工

1）設置加工參數。選擇“制造”→“等高線精加工”→“加工參數”命令，出現等高線精加工對話框，在“等高線精加工”參數選項卡中設置各項參數。

2）設置切削用量。設置整體余量為0，加工精度為0.01 mm，層高為1 mm，精加工主軸轉速為：4 000 r/min，切削速度為300 mm/min。

3）選擇幾何。根據設置提示選取加工曲面等，單擊確認后系統開始計算，稍候，生成等高線精加工軌跡及截面圖，如圖4、圖5所示。

圖4 等高線精加工軌跡

圖5 等高線精加工仿真加工截面

3.3 型腔的精加工：三維偏置精加工

1）設置加工參數。選擇“制造”→“三維偏置精加工”→“加工參數”命令，出現三維偏置精加工對話框，在“三維偏置精加工”參數選項卡中設置各項參數[4]。

2）設置切削用量。設置整體余量為0，加工精度為0.01 mm，行距為1 mm，精加工主軸轉速為：4 000 r/min，切削速度為300 mm/min。

3）選擇幾何。根據設置提示選取加工曲面等，單擊確認后系統開始計算，稍候，生成三維偏置精加工軌跡及截面圖，如圖6、圖7 所示。

圖6 三維偏置精加工軌跡

圖7 三維偏置精加工仿真加工截面

3.4 型腔的精加工：參數線精加工

1）設置加工參數。選擇“制造”→“參數線精加工”→“加工參數”命令，出現參數線精加工對話框，在“參數線精加工”參數選項卡中設置各項參數。

2）設置切削用量。設置整體余量為0，加工精度為0.01 mm，行距為1 mm，精加工主軸轉速為：4 000 r/min，切削速度為300 mm/min[5]。

3）選擇幾何。根據設置提示選取加工曲面等，單擊確認后系統開始計算，稍候，生成參數線精加工軌跡及截面圖[6]，如圖8、圖9所示。

圖8 參數線精加工軌跡

圖9 參數線精加工仿真加工截面

3.5 仿真加工工件

選擇FANUC OI 數控加工機床。通過RS232 輸入輸出接口，把生成的程序傳輸到數控加工中心中，進行加工[7]；對不同精加工方法加工過程進行統計，統計結果如表1所示。

表1 不同加工方法加工統計總表

4 結果和結論

綜合以上加工方法分析如下：

1）參數線精加工方法加工質量最好，但代碼行數及加工時間最長，是適合高精度復雜零件的加工方法[8]。

2）等高線精加工精度及表面質量一般，代碼行數及加工時間較短，該方法適宜精度要求不高的零件的加工。

3）三維偏置精加工方法加工質量較好，該方法代碼行數與加工時間介于參數線精加工和等高線精加工兩種方法之間，對加工精度要求不太高的零件來說是一種理想的加工方法。

4）究竟用哪一種加工方式來生成軌跡進行加工，還取決于加工的材料、刀具材質、數控機床系統剛性、加工參數的設置、加工工藝的設置等[9]。各種因素配合好了，才能得到人們想要的結果，對于精度及表面粗糙度要求高的零件來說，推薦采用參數線精加工方式進行精加工[10]。