基于MasterCAM 的復(fù)雜零件銑削加工

撰文/青海華鼎重型機(jī)床有限責(zé)任公司 馬永紅 楊亮 李少芳

對(duì)于輪廓復(fù)雜且加工設(shè)備、刀具要求專一的零件，優(yōu)化加工工藝，降低加工成本、提高加工效率是完成此類零件加工的關(guān)鍵所在。本文通過(guò)研究短螺距三向滾柱鏈輪的加工工藝性，建立三維模型，合理分析短螺距三向滾柱鏈輪加工工藝特點(diǎn)、刀具選型、切削用量和走刀路線，擬定了利用三軸聯(lián)動(dòng)的加工中心對(duì)短螺距三向滾柱鏈輪的外齒形進(jìn)行加工的工藝方案，主要通過(guò)MasterCAM 軟件對(duì)加工過(guò)程中的銑削方式、銑削參數(shù)、刀具的選擇、走刀軌跡以及后處理的全過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證數(shù)控加工程序的正確性及合理性。從而完成此類零件的實(shí)際加工與CAM 軟件的無(wú)縫結(jié)合，使設(shè)計(jì)、數(shù)控加工更加方便，快捷。

一、利用Solid Edge 對(duì)零件進(jìn)行三維實(shí)體造型

Solid Edge 軟件具有強(qiáng)大的功能，以其參數(shù)化、基于特征和全相關(guān)等概念聞名于CAD 業(yè)界，利用該軟件對(duì)被加工的零件進(jìn)行實(shí)體造型。造型的正確與否是決定加工零件質(zhì)量的關(guān)鍵，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響到成品的最終尺寸。因此在造型過(guò)程中一定要將零件圖樣上反映出的所有信息認(rèn)真審閱并消化，將圖樣中要求的信息（如齒形計(jì)算公式、模數(shù)、齒數(shù)、外徑和高度等）完全體現(xiàn)在三維造型中，如圖1 所示。

圖1

二、根據(jù)齒形最小拐角處確定刀具規(guī)格

刀具規(guī)格的選擇會(huì)直接影響加工效率、零件表面質(zhì)量及加工成本。刀具在選擇時(shí)應(yīng)盡量選擇刀柄直徑粗的立銑刀，因?yàn)榈侗睆酱值牧姷对诟咚偌庸r(shí)相對(duì)剛性比較好，這樣在加工過(guò)程中可將機(jī)床進(jìn)給速度提高，從而提高加工效率，刀具直徑大小的選擇應(yīng)充分考慮在加工過(guò)程中會(huì)不會(huì)與鏈輪的尖角部位發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象，以保證刀具能夠加工到最小凹陷處曲面與最小拐角處。目前比較常用的是可換刀片式的硬質(zhì)合金機(jī)夾刀，這種刀具在切削奧式體不銹鋼時(shí)（工件材料1Cr18Ni9Si3）進(jìn)給速度可達(dá)800mm/min。根據(jù)圖樣提供的技術(shù)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，得知齒根圓弧為36.56mm，因此選用外徑為26mm 的可換機(jī)加刀片的立銑刀對(duì)零件進(jìn)行銑削。在MasterCAM 中加工環(huán)境下設(shè)定具體刀具參數(shù)如圖2 所示。

圖2

三、根據(jù)三維模型建立機(jī)床坐標(biāo)

創(chuàng)建編程坐標(biāo)系要著重考慮工件在加工中心上如何定位，如何放置的問(wèn)題，同時(shí)還要便于操作人員對(duì)刀，通常是以鏈輪內(nèi)孔圓心為零點(diǎn)，以被加工的工件的上表面為Z軸的零點(diǎn)，這樣不僅能夠保證加工中心各軸的加工行程，也方便在機(jī)床上找正。只需輪表找正芯軸中心就可以準(zhǔn)確地設(shè)置X軸、Y軸的零點(diǎn)，能夠達(dá)到既準(zhǔn)確又方便的效果。在MasterCAM 加工環(huán)境下設(shè)定機(jī)床坐標(biāo)點(diǎn)如圖3 所示。

圖3

四、確定銑削方式

MasterCAM 軟件提供了豐富的輪廓銑削方式，能夠銑削較復(fù)雜的外觀形狀，它幾乎可以加工任何形狀的異形曲面，經(jīng)過(guò)分析，鏈輪的齒形是由復(fù)雜的漸開(kāi)線形成，因此采用輪廓銑削方式，如圖4 所示。

五、選取待加工的外形輪廓

在選取待加工外形輪廓后，一定要對(duì)選定的外形輪廓進(jìn)行校驗(yàn)，此項(xiàng)值得注意的是，應(yīng)防止多選外形輪廓或者漏選外形輪廓，無(wú)論是多選外形輪廓還是漏選外形輪廓都會(huì)影響成品的最終加工尺寸，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)導(dǎo)致撞刀現(xiàn)象的發(fā)生，從而使工件報(bào)廢，甚至損壞機(jī)床。因此要切記選取的被加工外形輪廓正確無(wú)誤，以避免不必要的錯(cuò)誤發(fā)生，如圖5 所示。

圖4

圖5

六、銑削參數(shù)的確定

在MasterCAM 中，較為復(fù)雜的外形輪廓一般選擇跟隨周邊的切削方式，使用此切削方式能夠在加工過(guò)程中減少空行程，在確定每次切削深度時(shí)應(yīng)充分考慮被加工零件的材料及硬度，被加工的零件材料為1Cr18Ni9Si3，該材料是奧式體不銹鋼，相對(duì)可切削性為0.3～0.5 之間，是一種難切削的材料，其難加工性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）高溫強(qiáng)度和高溫硬度高。1Cr18Ni9Si3 在700～800℃時(shí)也不能降低其機(jī)械性能，故切屑不易被切離，切削過(guò)程中切削力大，刀具易磨損。

（2）塑性和韌性高。雖然1Cr18Ni9Si3 的抗拉強(qiáng)度和硬度都不高，但綜合性能很好，塑性和韌性高，它的延伸率、斷面收縮率和沖擊值都較高，切削變形所消耗的功率增多。

（3）1Cr18Ni9Si3 的導(dǎo)熱率低，散熱差，切屑帶走的熱量少，大部分的熱量被刀具吸收，致使刀具的溫度升高，加劇刀具磨損。針對(duì)材料的性能，最初確定背吃刀量為0.75mm，在進(jìn)行切削的過(guò)程中機(jī)床震動(dòng)嚴(yán)重，因此修調(diào)了機(jī)床參數(shù)，最終確定的背吃刀量為1500r/min，進(jìn)給速度為1200mm/min，每刀加工深度為0.5mm，機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，震顫消失，最終滿足加工要求。根據(jù)工件要求的表面粗糙度確定工件是否進(jìn)行二次精加工，一般粗加工后的表面粗糙度值能夠達(dá)到6.3μm,如果工件表面質(zhì)量要求高于6.3μm，那么應(yīng)考慮進(jìn)行二次精加工，一般粗加工為精加工工序留有0.2～0.4mm 的余量，在精加工的時(shí)候應(yīng)適當(dāng)提高機(jī)床轉(zhuǎn)速（2000r/min），同時(shí)降低進(jìn)給速度（600～750mm/min）表面粗糙度值可達(dá)3.2μm 設(shè)定銑削參數(shù)，如圖6 所示。

圖6

七、動(dòng)態(tài)模擬仿真

動(dòng)態(tài)模擬仿真能夠檢驗(yàn)刀具路徑是否理想，同時(shí)可檢查是否發(fā)生過(guò)切現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)整各個(gè)參數(shù)盡量使刀具路徑簡(jiǎn)捷快速，減少空行程，如果發(fā)現(xiàn)存在過(guò)切現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)修改相關(guān)參數(shù)，使刀具在變更路徑時(shí)完全脫離工件，避免撞刀現(xiàn)象的發(fā)生，經(jīng)過(guò)實(shí)體仿真，沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)切和干涉。如圖7 所示。

圖7

八、后處理

MasterCAM 后處理是將優(yōu)化后的刀具路徑通過(guò)后處理器，自動(dòng)生成數(shù)控加工中心系統(tǒng)能夠識(shí)別的G 代碼，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)控制機(jī)床走刀路徑及各個(gè)動(dòng)作，后處理操作如圖8 所示。將后處理的程序利用CF 存儲(chǔ)卡導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)中，并運(yùn)行機(jī)床實(shí)體仿真進(jìn)行試切工件（圖9），加工后的工件滿足設(shè)計(jì)圖樣要求。

圖8

圖9

九、結(jié)語(yǔ)

利用加工中心對(duì)短螺距三向滾柱鏈輪外齒形進(jìn)行加工是一種新的嘗試，通過(guò)與普通滾齒機(jī)加工相比較，解決了工裝、刀具和設(shè)備規(guī)格等因素的限制。采用此方法不僅提高了加工效率，而且大大降低了加工成本，加工后的短螺距三向滾柱鏈輪的相關(guān)參數(shù)及粗糙度經(jīng)檢測(cè)完全滿足設(shè)計(jì)、裝配要求。