陳金英

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，北京100042)

隨著制造業(yè)日新月異的發(fā)展與變化，CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛地服務(wù)于各個(gè)領(lǐng)域，用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與機(jī)械制造，而曲面的設(shè)計(jì)與加工己成為數(shù)控技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)領(lǐng)域的主要應(yīng)用和研究對(duì)象。對(duì)于怎樣提高數(shù)控曲面加工的質(zhì)量與效率是數(shù)控加工技術(shù)的關(guān)鍵問題與難點(diǎn)問題，操作者難以根據(jù)加工零件的曲面情況來正確合理地選用曲面加工方法，因此，能夠比較系統(tǒng)地、深入地、綜合地、定量地應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)研究數(shù)控曲面加工質(zhì)量和效率的文獻(xiàn)并不多見。下面以葉輪的曲面加工為例深入、系統(tǒng)地分析提高加工質(zhì)量和效率的措施，解決了如何降低加工成本的關(guān)鍵問題。

1 試驗(yàn)條件的選擇與確定

根據(jù)葉輪的使用要求選擇鋁合金的試驗(yàn)材料，直徑為100 mm的毛坯，華中世紀(jì)星立式加工中心，粗加工刀具是整體硬質(zhì)合金立銑刀 (刀具牌號(hào)EG-4-D16×40×80-S×C)，精加工刀具是整體硬質(zhì)合金球頭銑刀(刀具牌號(hào)BG-2-D12×30×80-R8-S×C)。采用綠色污染較小的干式切削加工方式，利用Power-Mill軟件進(jìn)行數(shù)控編程。

由于PowerMill 加工軟件有優(yōu)于其他同類加工軟件的優(yōu)勢。PowerMill是英國Delcam Plc 公司出品的一款功能強(qiáng)大，適用于復(fù)雜曲面的產(chǎn)品加工及模具設(shè)計(jì)制造，加工策略比較豐富的數(shù)控加工編程軟件系統(tǒng)。它能夠幫助使用者產(chǎn)生最佳的加工方案，快速產(chǎn)生粗、精加工路徑，提高加工效率。其獨(dú)特、高效的區(qū)域清除的加工方法，盡可能地減少切削方向的突然變化，保證刀具負(fù)荷的穩(wěn)定。還提供了多種高速精加工策略，如三維偏置、等高精加工和最佳等高精加工等策略，保證了切削過程穩(wěn)定、光順，確保能快速切除工件上的材料，得到高精度、光滑的加工表面。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施

為了縮短工藝路線和輔助時(shí)間，進(jìn)一步提高各個(gè)加工表面的位置精度等，加工時(shí)采用工序集中的工藝路線。葉輪的裝夾需要用四軸的卡盤進(jìn)行固定，為了保持旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，另外一端用頂尖頂住。

(1)加工方案的確定

依據(jù)葉輪的特點(diǎn)制定兩種加工方案，其一，首先對(duì)葉輪的一個(gè)區(qū)域生成精加工軌跡;然后對(duì)該軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)其他四個(gè)區(qū)域的加工，此時(shí)機(jī)床的第四軸進(jìn)行間歇分度。需要注意的是檢查各個(gè)刀具路徑之間有無過切現(xiàn)象。其二，利用數(shù)控機(jī)床第四軸的連續(xù)旋轉(zhuǎn)功能，對(duì)葉輪實(shí)現(xiàn)連續(xù)分度并進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)加工。結(jié)合軟件選取合理的粗、精加工策略，通過軟件仿真加工和實(shí)踐加工，對(duì)加工質(zhì)量和加工效率進(jìn)行總結(jié)與分析。加工策略的選擇如表1所示，在相同的切削參數(shù)下生成的刀具軌跡如圖1、2所示。

表1 加工策略的選擇

圖1 陡峭淺灘三維偏置精加工

圖2 旋轉(zhuǎn)精加工

(2)加工仿真的分析

圖3 陡峭淺灘三維偏置精加工仿真

圖4 旋轉(zhuǎn)精加工軌跡仿真

為了更詳細(xì)地查看刀具路徑的運(yùn)行情況，對(duì)生成的刀具軌跡進(jìn)行Viewmill仿真。從圖3和4的實(shí)體仿真效果來看，兩種加工方式的加工質(zhì)量區(qū)別不大。從加工軌跡來看，陡峭淺灘三維偏置精加工的刀具軌跡稍復(fù)雜，刀具軌跡之間的連接較多，且提刀次數(shù)也多。旋轉(zhuǎn)軌跡僅有一次下刀和抬刀，所以提刀的次數(shù)只有一次，第一次下刀之后刀具軌跡隨著第四軸的連續(xù)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)螺旋線切削至結(jié)束，所以刀具軌跡之間不存在連接現(xiàn)象。

從NC程序統(tǒng)計(jì)的情況看，PowerMill軟件對(duì)刀具的切入切出和連接及切削移動(dòng)進(jìn)行了時(shí)間統(tǒng)計(jì)，陡峭淺灘三維偏置精加工總計(jì)用時(shí)為1 h 32 min 52 s，提刀次數(shù)630次;而旋轉(zhuǎn)精加工總計(jì)用時(shí)為46 min 27 s，提刀次數(shù)1次。

總之，無論從加工軌跡來看，還是從軟件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，旋轉(zhuǎn)精加工加工的效率高于陡峭淺灘三維偏置精加工。

(3)加工實(shí)施的分析

在合理制定加工方案和選擇加工策略的基礎(chǔ)上，檢驗(yàn)刀具軌跡的正確性，然后選擇所使用的數(shù)控設(shè)備系統(tǒng)的相應(yīng)后處理程序，自動(dòng)生成的NC程序代碼，再將G代碼傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，觀察其效果，如圖5所示。

圖5 兩種加工方案的實(shí)際效果

①加工效率分析:實(shí)際加工效率與軟件統(tǒng)計(jì)的加工效率截然相反，實(shí)際加工中旋轉(zhuǎn)精加工的用時(shí)是陡峭淺灘精加工的2倍多。主要原因是軟件沒有考慮數(shù)控機(jī)床的機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)間，如第四軸的機(jī)械運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

②加工質(zhì)量分析:在切削參數(shù)相同的情況下，旋轉(zhuǎn)精加工的質(zhì)量明顯優(yōu)于陡峭淺灘精加工。由于旋轉(zhuǎn)精加工在加工時(shí)的提刀次數(shù)大大少于陡峭淺灘精加工方式，所以刀具的紋路均勻，精度較高。

3 影響加工質(zhì)量與效率的因素

通過上述試驗(yàn)得出如下結(jié)論:

(1)不同的加工策略因加工參數(shù)設(shè)置差異均對(duì)加工質(zhì)量和加工效率有影響。

(2)同一加工策略不同的參數(shù)設(shè)置對(duì)加工質(zhì)量的影響，如圖6所示。旋轉(zhuǎn)精加工則需要調(diào)整某個(gè)軸的偏置角度，否則不能保證加工質(zhì)量。對(duì)于y軸偏置為零的設(shè)置，葉輪的加工曲面曲率受到影響，出現(xiàn)欠切現(xiàn)象;對(duì)于y軸偏置15°的設(shè)置基本保證了葉輪的曲面曲率的加工，合理的設(shè)置角度是保證所加工零件與數(shù)學(xué)模型吻合度較高的關(guān)鍵。

圖6 設(shè)置不同偏置角度的加工差異

(3)對(duì)于其他類型的曲面，上述結(jié)論可能會(huì)有一定的變化，如復(fù)雜的組合曲面也許會(huì)有不同的改變，有待進(jìn)一步研究。所以根據(jù)要加工的曲面，通過綜合分析確定最適宜的曲面加工方法，以便保證曲面加工質(zhì)量的同時(shí)也能提高加工效率及降低成本。

4 結(jié)論

通過實(shí)踐得出不同的加工策略對(duì)葉輪曲面加工的影響，軟件的仿真加工和實(shí)踐加工在加工效率與加工質(zhì)量方面也存在差異。經(jīng)過實(shí)踐加工得出旋轉(zhuǎn)精加工在加工質(zhì)量方面高于陡峭淺灘精加工，在加工效率方面低于陡峭淺灘精加工。因此，為了保證加工質(zhì)量和加工效率，依據(jù)被加工曲面的實(shí)際情況，合理地選擇加工策略及設(shè)定加工參數(shù)以最大限度地降低加工成本。

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