數(shù)控CAM 軟件替換軸加工方法研究

王文超，李 可，吳 毅，葉 松

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江 332007）

機械制造行業(yè)是進入工業(yè)化進程最早的產(chǎn)業(yè)之一，世界各國的大多數(shù)產(chǎn)品都離不開機械加工和制造。因此，機械制造行業(yè)成為世界經(jīng)濟的重要基石。機械加工的精度，是影響機械制造行業(yè)深度發(fā)展的重要因素[1]。幾十年來，機械制造行業(yè)通過各種新方法和新技術(shù)，不斷突破原有機械加工精度的上限等級，使機械產(chǎn)品的制造水平不斷提高。在不斷革新的機械加工方法中，數(shù)控加工占有非常重要的地位，其用計算機或微型處理器代替工人手工操作，實現(xiàn)了對機械加工過程的全控制，從而大大降低了各種誤差因素的影響，使得機械加工精度獲得了極大地提升[2]。正因為如此，世界各國都非常重視數(shù)控加工技術(shù)的運用，各種型號的數(shù)控機床和數(shù)控加工中心，成為機械行業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)備。需要指出的是，機床、夾具、刀具等硬件固然是數(shù)控加工技術(shù)得以實現(xiàn)的保證，但決定機械加工質(zhì)量的還是數(shù)控系統(tǒng)中的CAM 軟件。以軸類零件的加工為例，數(shù)控CAM 軟件就提供了多種可行的編程方案，而這些方案中，替換軸加工方法的應(yīng)用場合最多[3]。據(jù)此，本文以數(shù)控CAM 軟件的替換軸加工方法為研究對象開展研究工作，以期進一步提升軸加工的質(zhì)量。

1 數(shù)控CAM 軟件替換軸加工中的問題

在數(shù)控CAM 軟件中，為軸類零件和回轉(zhuǎn)零件設(shè)計了多種編程方法和加工方法，其中，基于替換軸的編程加工方法效果最好、應(yīng)用的場合也最多。所謂替換軸編程加工方法，就是用旋轉(zhuǎn)軸代替X 軸或者用旋轉(zhuǎn)軸代替Y 軸，在加工過程中刀具的參照軸線始終對位于被加工的軸類零件或者回轉(zhuǎn)零件的中心。這樣的方法，對于軸類零件和回轉(zhuǎn)零件的加工，不僅可以完成簡單的線條加工，還可以完成曲面加工。

雖然基于替換軸的加工方法在數(shù)控CAM 軟件編程技術(shù)中占有十分重要的地位，并且相比于其他軸加工方法優(yōu)勢明顯，但其也存在一些不足。大量的加工案例顯示，基于替換軸的加工方法在實際加工中存在過加工或欠加工的問題。所謂過加工，就是替換軸加工方法會切掉更多的余量，大于加工要求的余量份額。所謂欠加工，就是替換軸加工方法會切掉的余量不足，少于加工要求的余量份額。

如圖1 所示，是要在軸類零件上加工一個垂直通孔。

圖1 軸類零件上加工一個垂直通孔的示意圖

從圖1 中可以看出，這是一個中空軸，通孔的位置在正上方，如剖面線所示的區(qū)域。正確加工的情況下，通孔兩側(cè)的母線應(yīng)該是相互平行、垂直方向上的直線。但是，在替換軸的加工方法下完成加工，有時會出現(xiàn)過加工的情況，如圖2 所示。

圖2 在替換軸的加工方法下的過加工

如圖2 所示，因為過加工情況的出現(xiàn)，導(dǎo)致了垂直方向上的通孔截面變成了一個梯形圓環(huán)，通孔兩側(cè)的母線并不平行?？梢姡@就是因為余量過切導(dǎo)致的。在有些情況下，還會出現(xiàn)欠加工的情況，如圓弧底部只切出了水平直線的形狀等。

2 數(shù)控CAM 軟件替換軸加工的技術(shù)實施

下面，以一個具體的加工任務(wù)來說明數(shù)控CAM 軟件如何完成替換軸的加工。這個具體的加工任務(wù)是在中空圓柱上加工對稱的6 個通孔，這6 個通孔均勻地分布在中空的圓柱上，彼此之間間隔60°。因為數(shù)控CAM 軟件具有刀具加工路徑的轉(zhuǎn)換功能，因此只要實現(xiàn)一個通孔的加工和刀具路徑記憶以后，即可采用路徑轉(zhuǎn)換功能實現(xiàn)其余5 個對稱工位上的通孔加工，這樣的案例如圖3 所示。

圖3 本文具體的加工任務(wù)案例

對于圖3 的加工任務(wù)，可以從2 個基準(zhǔn)出發(fā)設(shè)計編程和加工方法，一個基準(zhǔn)是以圓柱內(nèi)表面進行設(shè)計，另一個基準(zhǔn)是以圓柱外表面進行設(shè)計。從軟件操作的角度看，可以設(shè)置一個新的圖層，圖層的名稱命名為通孔線框。命令操作順序：第一步點擊“繪圖”，第二步點擊“曲面曲線”，第三步點擊“單一邊界”，第四步點擊“由實體產(chǎn)生”，根據(jù)數(shù)控CAM 軟件的提示，點選通孔的邊界線，進而完成線條連接即可。

2.1 以圓柱內(nèi)表面為基準(zhǔn)進行編程設(shè)計

設(shè)置一個新的圖層，圖層的名稱命名為內(nèi)表面基準(zhǔn)-通孔線框。第一階段的命令操作順序：第一步點擊“熒屏”，第二步點擊“改變層別”，根據(jù)提示選擇通孔的邊界線框，然后點擊確定。

第二階段的命令操作順序：第一步點擊“轉(zhuǎn)換”，第二步點擊“纏繞”，第三步點擊“串聯(lián)”，根據(jù)提示選擇通孔的邊界線框，然后點擊“執(zhí)行”?！皥?zhí)行”命令會觸發(fā)一個對話框，在這個對話框中選擇“展開”，接下來以X軸為旋轉(zhuǎn)基準(zhǔn)進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸的直徑錄入為60°，旋轉(zhuǎn)的方向設(shè)定為順時針，再次點擊確定，從而得到通孔的展開線框。

第三階段的命令操作順序：第一步點擊“刀具路徑”，第二步點擊“外形銑削”，在其下配置關(guān)鍵參數(shù)以實現(xiàn)刀具路徑的編程。

第四階段的命令操作順序：第一步點擊“刀具參數(shù)”，第二步點擊“旋轉(zhuǎn)軸”，此操作會觸發(fā)一個對話框，設(shè)定旋轉(zhuǎn)模式為“取代”，這里的取代軸設(shè)定為Y軸，旋轉(zhuǎn)軸的直徑錄入為60°，旋轉(zhuǎn)的方向設(shè)定為順時針，再次點擊確定，從而得到通孔加工的刀具路徑。

第五階段的命令操作順序：第一步點擊“刀具路徑”，第二步點擊“操作管理”，第三步點擊“刀具路徑模擬”，第四步點擊“手動控制”，連續(xù)操作鼠標(biāo)左鍵，就可以獲得通孔加工的刀具路徑仿真結(jié)果。

仿真路徑結(jié)果顯示，以圓柱內(nèi)表面為基準(zhǔn)進行編程設(shè)計、完成通孔加工，會出現(xiàn)過切的情況，并不理想。

2.2 以圓柱外表面為基準(zhǔn)進行編程設(shè)計

以圓柱內(nèi)表面為基準(zhǔn)進行編程設(shè)計、完成通孔加工，其操作過程與以圓柱內(nèi)表面為基準(zhǔn)時的操作接近，這里在過程上不再贅述。此情況下的主要問題是會出現(xiàn)欠切、切不到位的情況。

3 數(shù)控CAM 軟件替換軸加工原理及欠切分析

3.1 數(shù)控CAM 軟件替換軸加工的原理分析

替換軸加工方法是數(shù)控CAM 軟件中非常常用的方法，其通過纏繞功能實現(xiàn)了槽、孔等對稱元素的編程和加工。在這樣的加工過程中，被加工對象的邊界線條是編程刀具路徑中的關(guān)鍵要素。

在加工過程中，旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)定有2 種方式，第一種方式是以X軸為旋轉(zhuǎn)軸，第二種方式是以Y軸為旋轉(zhuǎn)軸。在第一種方式下，先設(shè)定X軸為旋轉(zhuǎn)軸，然后將通孔邊界線條沿著Y方向進行排列。在第二種方式下，先設(shè)定Y軸為旋轉(zhuǎn)軸，然后將通孔邊界線條沿著X方向進行排列。

在2 種方式下，后續(xù)的工作是根據(jù)通孔邊界線條特征建立刀具路徑，當(dāng)一個完成以后，可以采用纏繞功能映射出其他刀具路徑。在實際執(zhí)行的過程中，究竟選擇哪種方式，一般要結(jié)合數(shù)控機床的類型。如果是立式數(shù)控機床，則選擇第二種方式；如果是臥式數(shù)控機床，則選擇第一種方式。從幾何空間形態(tài)來看，替換軸加工的工作原理，如圖4 所示。

圖4 替換軸加工的空間形態(tài)

圖4 中，設(shè)定原點為整個平面的中心，Y軸為徑向軸、Z軸為徑向軸、X軸為對稱軸。在這樣空間配置下，對任意一點P在空間內(nèi)展開之后，可以得到的Y坐標(biāo)，如公式（1）所示。

式中：參數(shù)C為整個圓周展開的周長，參數(shù)D為展開纏繞操作時的直徑，參數(shù)A為纏繞操作的角度。

3.2 數(shù)控CAM 軟件替換軸加工的欠切分析

接下來的工作中，對數(shù)控CAM 軟件替換軸加工如何產(chǎn)生欠切進行分析，解讀過程如圖5 所示。

圖5 替換軸加工的過切示意圖

在圖5 中，P1代表了要加工通孔的理想位置左側(cè)邊，P2代表了要加工通孔的理想位置右側(cè)邊，但在經(jīng)過替換軸加工后，P1′代表了要加工通孔的實際位置左側(cè)邊，P2′代表了要加工通孔的實際位置右側(cè)邊?，F(xiàn)在過P1′和P2′的上頂點，向底部作2 條垂線，分別用P3′和P4′表示。在此基礎(chǔ)上，利用纏繞功能將P3′和P4′恢復(fù)到上方，形成P3和P4的位置。這個過程中，需要設(shè)定X軸為旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)定旋轉(zhuǎn)方向為順時針方向，設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸直徑的大小為60°。

下面分析欠切產(chǎn)生的過程，從數(shù)控CAM 軟件的操作流程上看，第一階段：第一步點擊“回主功能表”，第二步點擊“熒屏”，第三步點擊“系統(tǒng)規(guī)劃”，第四步點擊“NC 設(shè)定”，第五步點擊“刀具顯示”，選擇步進量的方式。

第二階段：第一步點擊“回主功能表”，第二步點擊“刀具路徑”，第三步點擊“操作管理”，第四步點擊“重新計算”，不斷點擊確認(rèn)從而得到刀具路徑。

通過對刀具路徑的生成過程發(fā)現(xiàn)，最初的通孔上口刀具路徑是正確的，但隨著加工深度不斷加深，通孔下部出現(xiàn)了欠加工的問題。究其原因，是數(shù)控CAM軟件的纏繞功能導(dǎo)致的，刀具受到自身直徑大小的限制，其加工深度不斷變小，從而導(dǎo)致欠加工的出現(xiàn)。對于上述問題的解決，一般可以通過2 種手段實現(xiàn)：第一，選擇材料更加合適的刀具，如高速鋼等；第二，選擇合理的刀具半徑，確保銑削加工能夠完成通孔的形狀加工。

4 結(jié)論

數(shù)控加工是滿足精度要求的重要機械加工方法，對于機械制造行業(yè)具有十分重要的意義。在數(shù)控加工的實現(xiàn)過程中，軟件起到了至關(guān)重要的作用。本文主要針對數(shù)控CAM 軟件中替換軸的加工方法進行研究。以一個回轉(zhuǎn)體的替換軸加工為研究案例，其上有6 個通孔的加工任務(wù)，6 個通孔之間按照對稱關(guān)系均勻排布。在CAM軟件中給出了詳細(xì)的操作流程，分別以X 軸為旋轉(zhuǎn)軸、以Y 軸為旋轉(zhuǎn)軸2 種方式進行加工，給出了具體的操作指令和執(zhí)行步驟。最后，對CAM 軟件中的替換軸加工原理進行了分析，并給出了欠切加工的解決辦法。