基于PowerMill2010的曲面槽軸的數(shù)控加工

楊曉春

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

0 引言

第五屆全國(guó)數(shù)控技能大賽暨第42屆世界技能大賽云南省選拔賽加工中心競(jìng)賽，教師組和職工組的實(shí)操試題一樣，要求完成一個(gè)曲面槽軸和一個(gè)螺母套零件的加工，再把二者裝配起來，零件材料均為45鋼。曲面槽軸是整個(gè)組件中最復(fù)雜，加工精度、形位公差、表面質(zhì)量等要求最高的零件，涉及到多個(gè)復(fù)雜曲面的加工，特別是兩個(gè)曲面槽的加工最難，耗時(shí)最多，手工編程無法進(jìn)行。筆者作為教師組參賽選手，利用PowerMILL2010軟件對(duì)曲面槽、半橢圓凸臺(tái)等進(jìn)行了編程和加工。PowerMILL軟件是英國(guó)劍橋大學(xué)開發(fā)的主要面向模具零件加工的自動(dòng)數(shù)控編程系統(tǒng)，具有算法先進(jìn)、計(jì)算速度快、易學(xué)易用、刀具路徑安全等特點(diǎn)。

1 加工方法分析

圖1中，曲面槽軸的外圓柱面主要包括平面、半橢圓凸臺(tái)、曲面槽、腰形槽、矩形槽、2-Φ19H7孔等加工要素，曲面槽軸左端的加工要素為螺旋槽，右端的加工要素為橢圓頂及M37×1的螺紋頭。曲面槽共有兩個(gè)，一個(gè)是花生槽，它的側(cè)面由帶角度變化的橢圓曲面、圓弧曲面構(gòu)成，底面由圓柱曲面構(gòu)成；另一個(gè)是橢圓槽，它的側(cè)面由帶角度變化的橢圓曲面構(gòu)成，底面由圓柱曲面構(gòu)成。從圖形上看，易產(chǎn)生需用5軸加工策略和5軸機(jī)床才能避免刀具干涉，仔細(xì)分析圖紙，曲面槽沿軸向的任意平行剖切面顯示出它的側(cè)面輪廓線均延長(zhǎng)相交于軸心線，如圖2所示，用4軸加工策略和4軸機(jī)床可以完成加工。

零件毛坯是一個(gè)帶臺(tái)階和內(nèi)孔的圓柱體，外圓柱面、左端螺旋槽的圓柱面、內(nèi)孔已加工至圖要求，根據(jù)圖紙要求和毛坯情況，需要2次不同的裝夾定位才能完成整個(gè)工件的加工，確定工藝方案為：①以4軸加工中心A軸轉(zhuǎn)臺(tái)夾持軸的右端，左端用尾架頂尖頂住軸預(yù)作好的中心孔，用百分表校正工件外圓柱面，使工件軸心線和A軸重合。順序完成2個(gè)平行平面、螺旋槽、半橢圓凸臺(tái)、腰形槽、矩形槽、2-Φ19H7孔、曲面槽等加工；②拆下工件，上平口虎鉗，夾持外圓柱側(cè)2加工好的平面，螺旋槽端朝下，校正工件外圓柱面，加工橢圓頂及 M37×1的螺紋頭至圖要求。

圖2 曲面槽軸向剖切面Fig.2 The axial cutting plane of the curved surface groove shaft

2 主要加工要素的加工過程

2.1 螺旋槽

直接在機(jī)床編程界面上手工編寫一個(gè)4軸程序，使用Φ10整體鎢鋼球頭銑刀直接加工完成。程序清單如下：

O0001；

G55 G40 G49 G80 G69；

M03 S1000；

M08；

G90 G00 X0 Y0 A0；

Z10；

G01 Z-3 F60；（第一刀切削螺旋槽）

G91 X19.5 A-540 F200；（螺旋槽螺距P=13， 走1.5P）

G90 Z20 F800；

X0 Y0 A0；

Z-4 F60；（第二刀切削螺旋槽）

G91 X19.5 A-540 F200；

G90 Z20 F800；

X0 Y0 A0；

Z-5 F60；（第三刀切削螺旋槽）

G91 X19.5 A-540 F200；

G90 Z10 F200；

G00 Z150；

M09；

M05；

M30；

2.2 曲面槽

花生槽包括了橢圓槽的加工要素，實(shí)現(xiàn)了花生槽的加工，用同樣的方法就可以實(shí)現(xiàn)橢圓槽的加工，因而曲面槽的加工重點(diǎn)就是花生槽的加工?；ㄉ鄣募庸し桨赣袃煞N：方案一，4軸粗加工+4軸精加工；方案二，3軸粗加工+3軸精加工+4軸清根加工。工件、刀具、機(jī)床、切削參數(shù)相同條件下，4軸加工效率遠(yuǎn)低于3軸加工，選定方案二進(jìn)行花生槽的加工。

（1）刀具選擇。球頭銑刀和平底銑刀是銑削加工常用的刀具，3軸加工目的是為盡快去除工件加工余量，加工面根部產(chǎn)生較少的殘留，為4軸清根加工創(chuàng)造條件。如圖3所示，球頭銑刀比平底銑刀加工產(chǎn)生的根部殘留要少，因而選用球頭銑刀進(jìn)行3軸加工，粗加工刀具為Φ10整體鎢鋼球頭銑刀，精加工刀具為Φ4整體鎢鋼球頭銑刀。4軸加工采用平底銑刀精光側(cè)面并清除3軸加工的根部殘留，刀具為Φ4整體鎢鋼平底銑刀。

（2）三維造型。PowerMILL軟件專注于加工編程，沒有造型功能，本文根據(jù)圖紙使用SolidWorks2010完成零件的三維造型，保存成PowerMILL2010軟件可直接輸入的后綴名為.step模型文件。亦可保存成后綴名為.sldprt的SolidWorks標(biāo)準(zhǔn)模型文件，通過PowerMILL2010軟件的Exchange模塊轉(zhuǎn)換，保存成后綴名為.dgk的PowerMILL2010直接接受的標(biāo)準(zhǔn)模型文件。

（3）編程。打開PowerMILL2010軟件，進(jìn)入操作界面，輸入三維模型，存貯項(xiàng)目文件為柱底曲面槽的數(shù)控加工。設(shè)置編程坐標(biāo)系，使其與工件裝夾定位后的加工坐標(biāo)系一致，定義毛坯、加工邊界，選取合適的加工策略，設(shè)置刀具、刀軸、切削速度、加工余量、冷卻方式、連接形式等相關(guān)參數(shù)，值得注意的是，球頭銑刀刀尖理論上講，線速度V=0，是不能進(jìn)行切削的，切入方式選擇斜向切入，傾斜角度3°～5°為宜。具體如下：①3軸粗加工：定義花生槽側(cè)面外廓曲線為加工邊界，選擇模型區(qū)域加工策略，刀軸固定，側(cè)面和底面加工余量均為0.6mm，下切行距和步距均為1mm，刀具轉(zhuǎn)速2000rpm，切削進(jìn)給率600mm/min，下切進(jìn)給率200mm/min，計(jì)算后形成刀具軌跡；②3軸精加工：加工邊界與粗加工定義一致，選擇三維偏置精加工策略，刀軸固定，側(cè)面加工余量為0.1mm，留給后續(xù)4軸加工，底面不再留加工余量，直接加工完成。加工行距設(shè)為0.2mm，刀具轉(zhuǎn)速3000rpm，切削進(jìn)給率800mm/min，下切進(jìn)給率300mm/min，計(jì)算后形成刀具軌跡；③4軸清根加工：加工邊界與3軸加工定義一致，選取側(cè)面為加工曲面，選擇輪廓精加工策略，設(shè)置多重切削模式，最大下切步距設(shè)為0.5mm，刀具轉(zhuǎn)速3000rpm，切削進(jìn)給率800mm/min，下切進(jìn)給率300mm/min，因花生槽側(cè)面交于軸心線，在刀軸定義界面將刀軸設(shè)置為朝向軸心線，即A軸。各參數(shù)設(shè)置并計(jì)算后形成刀具軌跡。

圖3 根部殘留Fig.3 Root residue

（4）仿真。激活刀具軌跡，點(diǎn)擊自開始仿真按鈕，利用PowerMILL2010軟件的動(dòng)態(tài)仿真功能進(jìn)行仿真加工和碰撞檢查，不斷調(diào)整參數(shù)優(yōu)化刀具軌跡。

（5）生成NC程序。選取相應(yīng)的刀具軌跡，產(chǎn)生獨(dú)立的NC程序，刀位點(diǎn)選擇為刀尖，通過后綴為.opt的機(jī)床3軸、4軸后置文件后處理生成NC程序。圖4為自動(dòng)形成的4軸加工NC程序。

若想把3個(gè)刀具軌跡產(chǎn)生的程序合并為一個(gè)，一種方法是在記事本里，利用復(fù)制、粘貼將三個(gè)程序進(jìn)行拼接，另一種方法是在PowerMILL2010 軟件界面下，產(chǎn)生批量NC程序，按住鍵盤上的Ctrl鍵，復(fù)選3個(gè)刀具軌跡即可，但該種方法生成的程序不好檢查，選擇失誤，程序有可能會(huì)不完全。

（6）加工。將后置處理生成的3軸、4軸NC程序通過CF卡或數(shù)據(jù)線上傳到機(jī)床，對(duì)刀使加工和編程的坐標(biāo)系一致，即可調(diào)出程序進(jìn)行加工。

圖4 4軸加工NC程序Fig.4 NC program of 4 axis processing

2.3 半橢圓凸臺(tái)、 腰形槽、 矩形槽、 橢圓頂

使用PowerMILL2010軟件中的模型區(qū)域清除策略進(jìn)行粗加工，使用三維偏置精加工策略進(jìn)行精加工，參數(shù)設(shè)置類似花生槽的相應(yīng)加工方法。生成NC程序后調(diào)入機(jī)床加工。

2-Φ19H7孔采用鉆、擴(kuò)、鏜方式加工，手工編程即可。

M37×1為非標(biāo)螺紋，不能使用板牙應(yīng)用G84攻絲循環(huán)指令實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用PowerMILL2010軟件編程較為復(fù)雜，可使用Φ20單齒螺旋式螺紋銑刀，手工編制宏程序?qū)崿F(xiàn)，采用主程序和子程序結(jié)構(gòu)。程序清單如下：

O0010；

G40 G49 G80；

G91 G30 Z0；

M6 T10；（T10螺紋刀）

G90 G00 G54 X30 Y0 M03 S800；

G43 Z50 H10 M08；

G65 P0011 L2 A17.85 B10 C1；（調(diào)用子程序O00112次，變量賦值，第1刀銑削螺紋，第2刀自光）

M09；

G91 G28 Z0 M05；

M30；

O0011；

#4=#3；

#5=#1+#2；

G90 G00 Z#4；

G01 X#5 F500；

WHILE[#4GE-21]DO1；

#4=#4-#3；（循環(huán)條件變化

G02 I-#5 J0 Z#4 F120；

END1；

G01 X[#5+3*#3]Y0 F500；

G00 Z50；

M99；

宏程序中變量定義與變量指定Ⅰ的地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 變量定義與變量指定Ⅰ的地址對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Variable definition and variable designatedⅠaddress corresponding relations

3 結(jié)論

利用PowerMILL2010軟件的加工策略產(chǎn)生了曲面槽軸的半橢圓凸臺(tái)、腰形槽、矩形槽、橢圓頂、曲面槽等絕大多數(shù)加工要素的程序，手工編寫了螺旋槽、螺紋、2-Φ19H7孔的程序，所有程序整理后上傳機(jī)床，圖5為在比賽規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成的整個(gè)加工零件。經(jīng)檢測(cè)完全達(dá)到圖紙要求，筆者實(shí)操成績(jī)排在第1位，再加上理論、三維造型制造軟件、仿真三項(xiàng)成績(jī)，最終總成績(jī)獲得云南賽區(qū)四軸加工中心技能競(jìng)賽第1名。

[1]朱克憶.PowerMILL數(shù)控加工編程實(shí)用教程[M].北京.清華大學(xué)出版社，2008.

[2]楊書榮.深入淺出PowerMILL數(shù)控編程[M].北京.中國(guó)電力出版社，2008.

[3]泰森英格.切削刀具樣本[Z].泰森英格，2012.

[4]山特維克可樂滿.刀具樣本[Z].山特維克可樂滿，2011.

[5]田坤,聶廣華，等.數(shù)控機(jī)床編程、操作與加工實(shí)訓(xùn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]云南省人力資源和社會(huì)保障廳.第五屆全國(guó)數(shù)控技能大賽暨第42屆世界技能大賽云南省選拔賽選手成績(jī)公示 [EB/01].http://www.ynhrss.gov.cn/readinfo.aspx?InfoId=dc49599f989347e9a7e52dc 25b8bf534,[2012年7月11日在線]