動態粗車策略在成形面車削中的應用研究

劉輝

摘要：本文基于成形面數控車削過程中遇到的實際問題展開探討，提出以Mastercam軟件的動態粗車加工策略為途徑實現成形面和圓弧槽的高速高效加工。論文首先分析了動態粗車的應用條件，提出了外圓球刀的創建方法并對工藝參數進行了深入研究。繼而分析了某成形面零件的數控加工工藝，生成了動態粗車優化刀路并順利加工出合格的產品。隨后從刀路特征、程序內容、加工時間三個方面與傳統粗車做了詳細對比。最后，進一步討論了動態粗車策略在圓弧槽加工中的拓展應用，得出肯定結論。動態粗車策略為成形面和圓弧槽的高速加工提供了新的思路，該解決方案具有明顯的優勢，論文體現了一定的實踐應用價值。

Abstract： Based on the actual problems encountered in the CNC turning of the forming surface， this paper proposes to use the dynamic rough turning strategy of the Mastercam software to realize the high-speed and high-efficiency machining of the forming surface and the arc groove. This paper first analyzes the application conditions of dynamic rough turning， proposes the creation method of the external ball knife and conducts in-depth research on the process parameters. Then it analyzes the CNC machining process of a certain forming surface part， generates a dynamic rough turning to optimize the tool path and smoothly processes qualified products. Then it makes a detailed comparison with traditional rough turning from three aspects of tool path characteristics， program content， and processing time. Finally， it discusses the expanded application of dynamic rough turning strategy in arc groove machining， and draws a positive conclusion. The dynamic rough turning strategy provides a new idea for the high-speed machining of the forming surface and the arc groove. This solution has obvious advantages. The paper reflects a certain practical application value.

關鍵詞：成形面;動態粗車;Mastercam;刀路優化

Key words： forming surface;dynamic rough turning;Mastercam;tool path optimization

中圖分類號：F283? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0120-04

0? 引言

具有曲線輪廓的旋轉體表面稱為成形面，又稱特形面。成形面一般由一段或多段圓弧組成，按其圓弧的形狀可分為凸圓弧和凹圓弧，一些特殊的圓弧槽也可看做成形面。外凸成形面因其輪廓一般處于進給方向的開放區域，在數控車床上的加工方法與一般外圓、錐面的加工相似，應用“外圓粗車+輪廓精車”的工藝實現高效車削。而內凹成形面及圓弧槽往往處于軸向進給方向的封閉區域，表面受到其他特征或輪廓的遮擋，粗加工時一般采用仿形粗車、“扎入式”外圓粗車或徑向切槽的手段去除材料。這些方式的優點是對刀具要求低，普通外圓車刀或切槽刀即可實現加工;編程相對簡單，對軟件平臺要求低甚至手工編程即可實現;程序簡短，對數控系統存儲空間和CNC性能要求不高。缺點是切入時刀尖首先扎入毛坯，由于切削力大，切屑與前刀面接觸長度短，應力集中在刀尖，易使刀具崩刃;副后刀面與已加工表面存在擠壓與摩擦產生大量切削熱，切入過程常伴有嘯叫;通常選用35°尖刀，其刀尖強度低，最大斜插角度小于50°，難以勝任陡峭面和圓弧槽的加工;當處于臨界狀態時，副切削刃存在和已加工表面干涉的風險;當使用切槽方式加工時，存在徑向切削力大，排屑斷屑冷卻條件差，加工效率低的缺陷。動態加工策略是近年來出現的新型刀路算法，在復雜表面車削中具有較高應用價值，本文提出以Mastercam軟件的動態粗車策略為途徑，實現成形面零件的高速高效加工。

1? 動態粗車概述

Mastercam是CNC Software公司開發的基于PC平臺的CAD/CAM軟件。集二維繪圖、三維實體造型、曲面設計、體素拼合、數控編程、刀具路徑模擬及機床仿真模擬等多種功能于一身。Mastercam提供了設計零件外形所需的理想環境，其強大穩定的造型功能可設計出復雜的曲線、曲面零件。Mastercam支持中文環境，集經濟性與實用性于一體[1]，對廣大的中小企業是理想的選擇，是經濟有效的全方位的軟件系統，是工業界及學校廣泛采用的CAD/CAM系統。

Mastercam不但具有強大穩定的造型功能，可設計出復雜的曲線、曲面零件，而且具有強大的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能。其可靠刀具路徑效驗功能使Mastercam可模擬零件加工的整個過程，模擬中不但能顯示刀具和夾具，還能檢查出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實反映加工過程中的實際情況。同時Mastercam對系統運行環境要求較低，使用戶無論是在造型設計、CNC銑床、CNC車床或CNC線切割等加工操作中，都能獲得最佳效果。Mastercam軟件已被廣泛的應用于通用機械、航空、船舶、軍工等行業的設計與CNC加工，從80年代末起，我國就引進了這一款著名的CAD/CAM軟件，為國內制造業的迅速崛起作出了巨大貢獻。

動態粗車加工策略是Mastercam軟件提供的一種專為高速切削加工而設計的刀路，其切削面積均勻，材料切入、切出以切線為主，刀具軌跡平滑流暢，加工過程中較少應用G00過渡，因此加工過程中切削力變化較小，適合于高速車削加工的條件[2]。使用動態粗車刀軌有效地加工零件，同時使用更多的切削刃，延長刀具壽命，提高切削速度。

動態粗車可使刀具與工件表面更加貼合，而不會造成過切。刀具以“滾動”的方式運動，使切入過程更加平順，最大限度地減少了刀片的磨損。由于沒有進給方向的突然變化，機床伺服系統負荷較低，更有利于高速高精加工。所有重新定位移動都是平滑的圓弧。動態粗車策略可以根據要去除的材料以及工件實際輪廓以自適應的方式生成刀路。因此，動態粗車能夠在幾乎任何切削部位實現穩定一致的切削條件。

2? 動態粗車應用條件

2.1 刀具創建

動態粗車加工策略對刀具的要求是必須使用安裝圓刀片的外圓球刀。在車刀管理列表[3]新刀具，類型選擇標準車刀。在刀片選項卡選擇圓形刀片，內圓直徑為6mm，刀片厚度代號02，刀片后角7°，即刀片型號為RCMT0602MO。刀桿選項卡中選擇平直刀桿，型號為SRDCN2020K06，與刀片適配。刀片刀桿幾何參數如圖1-圖2所示。

刀具參數選項卡中，設定刀號、刀塔號、刀補號均為2，即刀具調用指令為T0202，默認切削參數和刀路參數根據刀片推薦切削用量設定。刀位點選擇虛擬刀尖，即主副切削刃平行X、Z軸的切線交點。刀具參數如圖3所示。

2.2 工藝參數

動態粗車的工藝參數主要包含步進量、預留量、方向、補正、切入/切出等參數。參數定義如表1所示。

3? 內凹成形面零件動態粗車加工

3.1 加工工藝分析

分析圖4零件，毛坯選擇45#鋼棒料，尺寸為Φ40×100mm，車床配置三爪自定心卡盤，左端夾持長度30mm，裝夾可靠，能夠承受較大的切削力。選擇93°外圓刀加工端面和圓柱面，外圓球刀加工成形面。

切削速度計算公式可表示為：

采用高速加工思路，設定切削速度為180m/min，代入式（1）并結合實際加工經驗和刀具性能、主軸限速等，確定粗車加工轉速為1500rpm。根據零件表面質量要求、工件材質、刀具性能并結合實際加工經驗設定粗加工fn=0.15mm/r，ap=1mm，精車余量0.2mm。

3.2 刀路生成與優化

動態粗車策略基于毛坯和輪廓計算刀路，因此必須在機床群組中設置毛坯。依據實際毛坯尺寸，設置外徑40mm，長度100mm，為方便檢查干涉情況，設置卡盤夾緊方式和夾持長度30mm。繼而選擇動態刀路，開始串連加工輪廓。使用單體串連[4]選擇成形面輪廓，完成后進入動態粗車參數設置界面。按照前文分析結果，設定加工參數如圖5、圖6所示，生成刀路如圖7所示。

3.3 實際加工驗證

加工測試平臺使用大連機床CKD6140i數控車床，搭配FANUC 0i Mate-TD數控系統，配置3000rpm模擬主軸，前置刀架。三爪卡盤定心精度±0.02mm，進給軸重復定位精度0.01mm，平臺滿足圖紙零件加工工藝要求。刀路經專用后處理生成車削程序并導入機床，順利完成試加工，車削時間約2min，刀具磨損不明顯，結果如圖8所示，效果達到預期。對加工過程進行監控，機床負載小且穩定，切削輕快，切削用量具備進一步提升的潛力。

3.4 常用加工策略比較

在Mastercam軟件中使用外圓粗車和仿形粗車策略計算內凹成形面車削軌跡，除刀具采用35°尖刀外，切削用量與動態粗車保持一致，生成刀路如圖9所示。

從刀路特征上看，動態粗車依托高級算法，軌跡具有明顯的輪廓自適應特征，外部刀軌形狀與毛坯外圓相似，內部刀軌逐漸貼近成形面輪廓，刀軌間的連接以圓弧過渡為主，空刀行程少，刀具始終處于切削狀態，精車余量均勻。外圓粗車則是典型的軸向分層車外圓的刀路形式，刀尖以一定進刀向量扎入毛坯，執行“進刀-切削-退刀-返回”的固定循環，一個循環只執行一次車削過程，存在空刀的現象。最后執行一刀輪廓加工，去除臺階狀殘料，使得精車余量均勻。仿形粗車也是常用的成形面粗車策略，刀路形式與輪廓表面完全相同，刀具運行狀態與外圓粗車相似，同樣存在空刀現象，精車余量均勻。

從程序上看，動態粗車程序段為330行，程序大小為10kB。這是由于部分車削軌跡為非圓曲線，通過后處理器分解為小線段，以G1指令逼近的方式重新擬合。該方式對CNC性能、存儲空間提出一定要求，具備高速高精先行控制等功能的數控系統能夠最大化的發揮動態粗車的優勢。傳統粗車策略程序段為70行，程序大小不足2kB，軌跡均為單一的長直線或大圓弧，對CNC性能和先進程度要求不高，數控系統普適性好。

從加工時間上看，動態粗車用時最短，且具備進一步提升切削用量的潛力，與之相對，傳統粗車用時略長。如對動態粗車的刀具選型、工藝參數進行優化，預計能夠減少加工時間約40%左右。

4? 動態粗車在圓弧槽加工中的應用

對于圓弧槽以及陡峭成形面等特征，普通四邊形外圓車刀難以下刀，一般做法是使用切槽方式加工。切槽時，徑向切削力大、進給速度低、斷削排削冷卻條件差，深槽加工還需使用斷續切削的模式改善工藝條件，程序段中需要增加額外的換刀工序，切槽過程往往成為整個零件加工的瓶頸，直接影響生產率。將動態粗車策略應用于圓弧槽加工中，優點如下：①變較大背吃刀量的徑向進給為較小切削深度的軸向進給，減小加工過程中的變形，有利于保證槽加工精度。②外圓球刀切削速度高，刀具在槽內以左右擺動的方式切除材料，有效打開切削空間，改善工藝條件，提升表面質量。③刀具始終處于切削狀態，幾乎無空刀，吃刀量保持穩定，避免徑向切槽第一刀和狹窄區域吃刀量不均勻的現象。④可以和其他部位的粗車共用一把車刀，減少換刀次數，能夠應用較快的進給速度，降低非切削時間，提升加工效率。

下面以某型帶輪槽的加工為例，進行動態粗車和傳統切槽的對比。動態粗車使用R3球刀，徑向切槽使用3mm槽刀，分別設置合理的切削用量，基于前述方法分別生成刀路，如圖10所示。

在加工結果相似的情況下，動態粗車加工時間約1min，徑向切槽加工時間近2min，考慮到額外的換刀時間，車削效率提升1倍以上。

5? 結束語

Mastercam軟件的動態粗車加工策略應用高級算法生成的輪廓自適應刀路在減小切削力、降低機床負荷、提高刀具壽命、提升加工效率等方面實現了較為理想的平衡。本文通過對動態粗車的技術要求、工藝參數的深入研究，在充分分析某成形面零件加工工藝的基礎上，生成動態粗車優化刀路并順利加工出合格的產品，驗證了該刀路有效性。從刀路特征、程序內容、加工時間三個方面與傳統粗車做了對比，動態粗車的刀具軌跡更加適應產品對先進制造技術的要求，有助于降低成本，提高生產率。最后，進一步探討了動態粗車策略應用于圓弧槽加工的優勢。本文對成形面和圓弧槽的高速加工提供了新的思路，提出的動態粗車解決方案具有一定的實踐應用價值。

參考文獻：

[1]岳宏梅，王甫.MasterCAM軟件在數控加工中的應用[J].內燃機與配件，2020（3）：257-258.

[2]陳為國，陳昊.圖解Mastercam2017數控加工編程[M].北京：機械工業出版社，2018：250-252.

[3]李月娥.基于MasterCAM的車削自動編程研究[J].機械工程師，2015（8）：78-79.

[4]李欣，張禮.MasterCAM串連功能詳解及應用技巧[J].模具制造，2019（5）：70-75.