基于mastercam的平面凸輪NC加工

李江平

（廣東省科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090）

0 前言

凸輪機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、食品機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)、自動(dòng)化儀表以及各種輕工機(jī)械中。凸輪機(jī)構(gòu)之所以得到了如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗嬗袀鲃?dòng)、導(dǎo)向及控制機(jī)構(gòu)的各種功能，可以驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以前受到設(shè)計(jì)和加工條件的限制,往往采用作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓和劃線加工凸輪的方法。隨著機(jī)械不斷朝著高速、精密、自動(dòng)化方向發(fā)展,對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和精度要求也不斷提高,因此利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和應(yīng)用數(shù)控機(jī)床加工凸輪是很有必要的。建立專用的凸輪CAD/CAM軟件,在生產(chǎn)實(shí)踐中會(huì)改善加工精度,降低制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本人在進(jìn)行數(shù)控銑加工編程中，采用了Mastercam中的MILL模塊進(jìn)行凸輪數(shù)控銑床編程，就是使用MILL模塊中的Fplot工采用Fplot繪制出平面凸輪曲線，改善加工精度,降低制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.

1 Fplot介紹

本文以Mastercam9.0中文版為例介紹如何使用Mastercam中Fplot程序繪制復(fù)雜曲線與曲面，F(xiàn)plot是一個(gè)函數(shù)繪圖程序。它利用方程和選擇建立相應(yīng)的幾何圖形（包括點(diǎn)，線，樣條曲線，曲面曲線，參數(shù)曲面或NURBS曲面）。該方程采用普通的代數(shù)符號(hào)。

2 eqn文件介紹

我們可以用普通文本編輯軟件如記事本或?qū)懽职宕蜷_擴(kuò)展名為eqn的文件，首先進(jìn)入mastercam安裝文件夾如D：mastercam9Chooks目錄，可以看見幾個(gè)擴(kuò)展名為eqn的文件，有CANDY、CHIP、DRAIN、ELLIPSD、fplot、INVOL、SINE 等幾個(gè) eqn 文件。

3 復(fù)雜曲線的繪制

本文以sine.eqn為例介紹曲線的繪制，從fplot主菜單中選擇“Get eqn”，然后輸入“sine.eqn”文件的名稱。選擇“Plot it”創(chuàng)建線段構(gòu)成一個(gè)周期的正弦波。按Alt-F1的，將線段適合屏幕大小。結(jié)果如圖1。

圖 1 sin(x)曲線

圖2 sine.eqn文件

那我們查看一下sin.eqn文件到底是如何編寫的。我們用記事本打開sin.eqn文件，可以看到以下內(nèi)容，第一行step_var1=x表示第一個(gè)參數(shù)為x,第二行step_size1=0.2表示x的步進(jìn)值為0.2,第三行l(wèi)ower_limit1=0表示x的變化范圍最小值為0，第四行upper_limit1=6.28319表示x的變化范圍最大值為6.28319，第五行g(shù)eometry=lines表示繪制的幾何圖形為線，第六行 angles=radians表示角度采用弧度。第七行 origin=0,0,0表示圖形原點(diǎn)為x=0,y=0,z=0。第八行 y=sin(x)表示繪制的線采用的方程為sin(x)。把sin.eqn看懂了，就很容易繪制其它的方程曲線了。

4 凸輪的繪制

在凸輪機(jī)構(gòu)中，最常用的就是平面凸輪機(jī)構(gòu)，要設(shè)計(jì)平面凸輪的輪廓曲線。設(shè)計(jì)方法通常有圖解法和解析法兩種。作圖法簡(jiǎn)便易行、直觀，作圖誤差較大，精度較低，適用于低速對(duì)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求不高的一般精度凸輪設(shè)計(jì)；對(duì)于精度要求高的高速凸輪、靠模凸輪等，必須用解析法列出凸輪的輪廓曲線方程，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)精確地設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)。如設(shè)計(jì)下面的偏置滾子從動(dòng)件盤形凸輪輪廓曲線，已知偏距e=10mm，基圓半徑r0=40mm，行程h=25mm，滾子半徑rT=10，厚度為20mm。凸輪以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

運(yùn)動(dòng)階段 1，推程 Φ=180°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 0～180，運(yùn)動(dòng)形式：等加速-等減速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程方程：s=(2h/Φ2)φ2=(2*25/1802)φ2（0≤φ≤90）或 s=h-2h(Φ-φ)2/Φ2=25-2*25*(180-φ)2/1802（90≤φ≤180）

運(yùn)動(dòng)階段 2，遠(yuǎn)休止 ΦS=30°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 180～210，運(yùn)動(dòng)形式：靜止不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程方程：s=h=25（180≤φ≤210）

運(yùn)動(dòng)階段 3，回程 Φ=90°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 210～300，運(yùn)動(dòng)形式：等加速-等減速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程方程： s=h-(2h/Φ2)/φ2=25-(2*25/180)2/(φ-210)2（210≤φ≤300） 或 s=2h(Φ’-φ’)2/Φ’2=2*25*(90-(φ-210))2/902（210≤φ≤300）

運(yùn)動(dòng)階段 4，遠(yuǎn)休止 ΦS=60°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 300～360，運(yùn)動(dòng)形式：靜止不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程方程： s=0（300≤φ≤360）

凸輪輪廓曲線零件圖如下圖。

圖3 凸輪輪廓曲線零件圖

1）凸輪輪廓曲線的極坐標(biāo)方程

位移S方程如上已經(jīng)給出

3）根據(jù)凸輪輪廓曲線的直角坐標(biāo)方程分別建立6段凸輪曲線方程如下圖

圖4 6段凸輪曲線eqn方程

由6段凸輪曲線eqn方程生成的理論凸輪曲線如下圖11。

圖5 凸輪理論輪廓曲線

4）對(duì)于滾子從動(dòng)件，我們得到理論輪廓線后，直接用offset(偏移)命令，出現(xiàn)提示：“指定偏移距離或[通過(T)]＜通過＞：”，輸入滾子半徑rT=10㎜，選擇輪廓曲線作為偏移對(duì)象，指定內(nèi)側(cè)為偏移方向，即可得到凸輪的實(shí)際輪廓曲線。

5）拉伸草圖輪廓，完成凸輪參數(shù)化建模。選擇【插人】/【拉伸】命令或者單擊工具欄中的拉伸按鈕后，拉伸指定輪廓至指定高度20mm，完成凸輪實(shí)體建模。

6）生成凸輪中心孔。利用拉伸去除，生成凸輪中心孔，完成凸輪的建模。

圖6 凸輪實(shí)際曲線

圖7 凸輪實(shí)際外形

圖8 生成的凸輪

5 加工方法的確定

加工平面凸輪一般采用兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床,大型平面凸輪可用等高墊墊在工作臺(tái)上,中心孔找正后,確定坐標(biāo)原點(diǎn),用壓板螺絲在凸輪的工藝孔上壓住即可;而小型凸輪,一般用心定位,壓緊即可。加工圓柱凸輪宜采用四軸(X,Y,Z軸與繞X旋轉(zhuǎn)的A軸)或帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的3坐標(biāo),2坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑床加工比較合適,根據(jù)槽寬及形狀選擇不同大小的刀具或成形刀具。為了加工方便,安裝時(shí),凸輪的軸線應(yīng)平行于機(jī)床的X軸,由夾盤和頂尖夾緊工件。

6 工件裝夾方案

由于該零件為小型凸輪，宜采用心軸定位，螺栓壓緊即可。設(shè)定工件上表面與孔φ10H20軸線的交點(diǎn)為工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

7 加工順序及進(jìn)給路線

該凸輪的加工路線包括深度切入進(jìn)給和平面切削，切削加工時(shí)當(dāng)?shù)毒咧林付ㄉ疃群螅毒咴赬Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，銑削凸輪輪廓。

8 選擇刀具及切削用量

8．1 選擇切削刀具

銑削刀具和刀具材料主要根據(jù)零件材料的切削加工性、工件表面幾何形狀和尺寸大小選擇，由于零件材料為鋁，切削加工性能較好。可采用整體式JT-MW型刀具系統(tǒng)，選用φ10mm的硬質(zhì)合金鍵槽銑刀。數(shù)控銑床為華興SK712A。

8．2 選擇切削用量

依據(jù)零件材料鋁的切削性能，硬質(zhì)合金刀具材料的特性及加工精度要求確定切削用量。凸輪兩側(cè)面各留1mm精銑余量；切削速度和進(jìn)給速度的選擇應(yīng)考慮刀具的工作效率和壽命，粗銑時(shí)主軸轉(zhuǎn)速取1000r/min，進(jìn)給速度取 50mm/min，精加工前，檢測(cè)零件幾何尺寸，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定刀具長(zhǎng)度和刀具半徑的偏置量，精銑時(shí)主軸轉(zhuǎn)速取1000r/min，銑刀進(jìn)給速度取 30mm/min，保證尺寸精度和表面質(zhì)量符合圖紙的加工要求。

9 刀具路徑生成

圖9 刀具路徑

10 結(jié)束語

基于mastercam凸輪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造為凸輪的設(shè)計(jì)和加工提供了較大的方便，能很好保證凸輪的設(shè)計(jì)要求和加工質(zhì)量。

圖10 刀具參數(shù)1

圖11 刀具參數(shù)2

致謝：

在此感謝宋教授對(duì)我論文提出的寶貴意見，以及賴?yán)蠋熂包S東老師、鄒偉全老師對(duì)我的大力幫助。

［1］王衛(wèi)兵,主編.mastercam數(shù)控加工實(shí)例教程[M].清華大學(xué)出版社.

［2］候克青.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2005.