基于MasterCAM的數(shù)控加工零件尺寸精度控制研究

佛新崗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，西安 710089)

基于MasterCAM的數(shù)控加工零件尺寸精度控制研究

佛新崗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系，西安 710089)

結(jié)合MasterCAM軟件研究了刀具補(bǔ)正、XYZ方向預(yù)留量、XYZ平面多次加工等方法在零件加工質(zhì)量控制中的作用，通過合理設(shè)置加工參數(shù)來控制零件尺寸的加工精度。主要介紹了MasterCAM刀具補(bǔ)正和XYZ預(yù)留量的綜合應(yīng)用，通過在半精加工、精加工中合理設(shè)置加工余量和補(bǔ)正量來保證零件的加工尺寸的精度。

MasterCAM;刀具補(bǔ)正;精度控制

0 引言

MasterCAM中二維加工功能中模塊主要有:外形銑削、挖槽加工、鉆孔加工、平面銑削等四種，合理的利用各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置可以使零件的加工質(zhì)量得到大大的提高。譬如外形銑削中的刀具半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用，巧妙的利用其參數(shù)設(shè)置可以對零件中有公差要求的尺寸進(jìn)行精確的加工，達(dá)到事半功倍的效果［1］。

1 MasterCAM零件尺寸精度控制方案

1.1 刀具補(bǔ)正與XYZ預(yù)留量功能的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床中NC程序所控制的是刀具中心的軌跡，而零件提供的是零件加工后應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)尺寸。采用刀具半徑補(bǔ)償功能可以直接用圖樣的尺寸編程，然后由數(shù)控機(jī)床的控制器或由MasterCAM軟件將刀具的半徑值補(bǔ)償進(jìn)去，即將刀具中心從程序路徑向指定方向偏移刀具半徑的距離。刀具半徑補(bǔ)償有左補(bǔ)償、右補(bǔ)償、不補(bǔ)償(刀心軌跡和工件輪廓重合)三種情況。圖1表示了左右補(bǔ)償方式。

圖1 刀具左、右補(bǔ)償

MasterCAM9.1中二維加工中外形銑削加工有關(guān)設(shè)置刀具半徑補(bǔ)償?shù)捻撁嫒鐖D2，MasterCAM9.1有五種補(bǔ)償形式［2-3］:

(1)電腦補(bǔ)償

電腦補(bǔ)償由MasterCAM軟件實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算刀具路徑時(shí)將刀具中心向指定方向偏移與刀具半徑相當(dāng)?shù)木嚯x(不考慮刀具磨損)，產(chǎn)生的NC程序中已經(jīng)是補(bǔ)償后的坐標(biāo)值，并且程序中不含有刀具補(bǔ)償指令(G41、G42、G40)。補(bǔ)償選項(xiàng)可以根據(jù)加工要求設(shè)定為左補(bǔ)償、右補(bǔ)償、不補(bǔ)償。

圖2 MasterCAM刀具半徑補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置

(2)控制器補(bǔ)償

選用控制器補(bǔ)償時(shí)，MasterCAM所生成的NC代碼是根據(jù)加工零件圖形的設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算坐標(biāo)，并會(huì)在程序的某些行中加入刀具補(bǔ)償指令(G41、G42、G40)及補(bǔ)償號碼(D00～D99)。機(jī)床執(zhí)行該程序時(shí)由控制器根據(jù)這個(gè)補(bǔ)償指令計(jì)算刀具中心的坐標(biāo)軌跡。補(bǔ)償值存儲(chǔ)在機(jī)床指定的暫存器內(nèi)，補(bǔ)償值可以是刀具實(shí)際直徑，或者是實(shí)際刀具直徑與粗精加工余量之和(不考慮刀具磨損)，加工之前應(yīng)在數(shù)控裝置中設(shè)定。補(bǔ)償形式如表1所示。

表1 控制器補(bǔ)償形式

(3)兩者補(bǔ)償

指同時(shí)具有電腦補(bǔ)償和控制器補(bǔ)償功能。

(4)兩者反向補(bǔ)償

指同時(shí)具有電腦補(bǔ)償和控制器補(bǔ)償，但是控制器補(bǔ)償?shù)钠品较蚺c設(shè)置的加工方向相反。

(5)補(bǔ)償關(guān)

刀具刀位點(diǎn)軌跡與工件輪廓重合。

在MasterCAM編程過程中一般采用電腦補(bǔ)償，而將控制器補(bǔ)償關(guān)閉。但是如果考慮到實(shí)際刀具的磨損，一般是用電腦補(bǔ)償對指定的刀具進(jìn)行補(bǔ)償，然后再將實(shí)際刀具與指定刀具直徑之差(磨損量)由控制器來補(bǔ)償。當(dāng)兩個(gè)刀具直徑相同時(shí)，暫存器中補(bǔ)償值為0，否則補(bǔ)償值是兩個(gè)直徑之差值。這樣即使刀具磨損、重磨或更換新的不同直徑的刀具來加工相同零件尺寸時(shí)，只需要修改數(shù)控機(jī)床控制器中的補(bǔ)償值即可，而不需要修改NC程序［4-6］。

下面以圖3刀具補(bǔ)償加工示意圖主要介紹電腦補(bǔ)償、控制器補(bǔ)償、電腦與控制器兩者補(bǔ)償?shù)木唧w應(yīng)用。

圖3 刀具補(bǔ)償示意圖

這里假設(shè)L為零件加工后最終尺寸，L1為零件進(jìn)行半精加工之后測量的實(shí)際尺寸，L2為零件半精加工之后設(shè)定的理論尺寸(不考慮刀具、機(jī)床等外界因素的影響)，Δ1為半精加工時(shí)設(shè)定的預(yù)留量(單邊余量，即精加工余量)，“XY方向預(yù)留量”以下用δ表示。

1.1.1 電腦補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置

利用電腦補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)刀具半徑補(bǔ)償功能時(shí)，主要是通過修改δ的值達(dá)到粗精加工、控制零件精度的目的，但同時(shí)也要考慮刀具的磨損、重磨、換刀等問題，也就是刀具變化時(shí)對δ設(shè)定值的影響，因此以下通過兩方面說明電腦補(bǔ)償時(shí)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置問題:

(1)刀具直徑不變

當(dāng)初始用新刀具加工零件時(shí)，刀具直徑基本不變，這時(shí)δ的值主要就是粗精加工余量的設(shè)定。

半精加工時(shí):

精加工考慮零件不對稱尺寸公差時(shí):

精加工無條件時(shí):

(2)刀具直徑變化

當(dāng)實(shí)際加工中由于各種原因產(chǎn)生刀具磨損、重磨或換刀時(shí)，刀具直徑就產(chǎn)生了變化。這時(shí)δ值的確定在考慮粗精加工余量的同時(shí)還要考慮刀具直徑變化的影響。

半精加工時(shí):

精加工考慮零件不對稱公差時(shí):

精加工無條件時(shí):

當(dāng)然也可以把刀具直徑變化在半精加工中進(jìn)行補(bǔ)償，精加工中就不用考慮了。

1.1.2 控制器補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置

利用控制器進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償時(shí)，一般情況下δ=0。因?yàn)槭褂每刂破餮a(bǔ)償時(shí)主要應(yīng)用NC代碼中的G41 DXX、G42 DXX、G40等指令，通過修改數(shù)控裝置中的刀具半徑補(bǔ)償值實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工、精度控制，同時(shí)也要考慮刀具的直徑變化影響。

(1)刀具直徑不變

半精加工時(shí):

精加工考慮不對稱公差時(shí):

精加工無條件時(shí):

(2)刀具直徑變化

當(dāng)實(shí)際加工中由于各種原因產(chǎn)生刀具磨損、重磨或換刀時(shí)，刀具直徑就產(chǎn)生了變化。這時(shí)DXX值的確定在考慮粗精加工余量的同時(shí)還要考慮刀具直徑變化的影響。

半精加工時(shí):

精加工考慮零件不對稱公差時(shí):

精加工無條件時(shí):

當(dāng)然也可以把刀具直徑變化在半精加工中進(jìn)行補(bǔ)償，精加工中就不用考慮了。

1.1.3 兩者補(bǔ)償

電腦補(bǔ)償和控制器聯(lián)合補(bǔ)償時(shí)生成的刀具軌跡為:首先刀心軌跡偏移零件輪廓一段刀具半徑距離;其次數(shù)控系統(tǒng)通過后處理器生成的NC代碼中DXX在數(shù)控裝置暫存器中還要設(shè)置補(bǔ)償值，在考慮刀具直徑變化與否的同時(shí)進(jìn)行零件的粗精加工、尺寸精度控制。電腦補(bǔ)償主要通改變?chǔ)闹祵?shí)現(xiàn)刀具的半徑補(bǔ)償功能，要不斷的生成新的程序才能進(jìn)行零件的加工，相當(dāng)比較繁瑣，但其一般不會(huì)產(chǎn)生過切削?？刂破餮a(bǔ)償主要通過改變DXX值實(shí)現(xiàn)刀具的半徑補(bǔ)償功能，不用修改程序，但有時(shí)會(huì)在復(fù)雜交面加工中產(chǎn)生過切削刀具軌跡，主要用于精加工。二者各有利弊，兩者同時(shí)補(bǔ)償就可以消除各自的缺點(diǎn)，使二者補(bǔ)償方法的優(yōu)勢得到有效的結(jié)合，可以大大提高零件的加工效率和加工質(zhì)量。

一般情況下，在整個(gè)補(bǔ)償過程中設(shè)δ=0，主要通過控制器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)刀具半徑的補(bǔ)償功能。在數(shù)控機(jī)床控制器生成的NC代碼中修改DXX值，結(jié)合刀具直徑值的變化實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工、質(zhì)量控制。若要同時(shí)考慮δ值和DXX值實(shí)現(xiàn)刀具的半徑補(bǔ)償功能，那將是非常龐大的一項(xiàng)工程。下面主要討論在δ=0、指定刀具直徑等于實(shí)際刀具直徑的情況下修改DXX值實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)那闆r:

(1)半精加工

(2)精加工時(shí)

①考慮零件不對稱公差時(shí)

②無條件時(shí)

兩者反向補(bǔ)償和兩者補(bǔ)償基本原理差不多，不補(bǔ)償就是刀具刀位點(diǎn)沿著工件輪廓加工，這里不予討論。

1.2 XYZ平面多次加工功能的應(yīng)用

若單獨(dú)利用圖2中XY平面多次銑削來實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工，則會(huì)產(chǎn)生過切現(xiàn)象;若綜合利用刀具補(bǔ)正、XY預(yù)留量、XY平面多次加工實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工，又太過麻煩，所以這里只討論刀具補(bǔ)正、XY平面多次銑削實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工。在考慮刀具補(bǔ)正、XY平面多次銑削綜合應(yīng)用的同時(shí)，要注意選擇合適的補(bǔ)償方式:選擇電腦補(bǔ)償，則隨著刀具的變化要不斷重新生成程序，極為不便;選擇控制器補(bǔ)償或兩者補(bǔ)償，可以按照圖4設(shè)置粗精加工參數(shù)，可以一次完成粗精加工，但這種方法的缺點(diǎn)是不能滿足零件多次粗精加工余量不一致的需要，所以實(shí)際生產(chǎn)中一般不采用。

圖4 XY平面多次銑削設(shè)定

當(dāng)然也可以單獨(dú)利用刀具補(bǔ)正、XYZ預(yù)留量、XYZ平面多次加工其中的一種方法對零件的尺寸精度進(jìn)行控制。另外Z方向的加工精度控制參數(shù)設(shè)置主要通過Z方向預(yù)留量、Z軸分層銑削來實(shí)現(xiàn)，情況比較單一，這里不予討論。

2 尺寸精度控制方法綜合應(yīng)用

下面舉例說明在MasterCAM9.1中如何使用刀具半徑補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工，加工零件如圖5所示。已知加工參數(shù)為:φ10平底銑刀外形銑削，精加工余量為0.5mm，圓弧進(jìn)退刀半徑為10mm。(假設(shè)在加工過程中刀具無磨損，這里的粗加工就相當(dāng)于上面討論的半精加工)

圖5 零件圖

根據(jù)以上討論，由MasterCAM9.1軟件可以得出該零件分別在電腦補(bǔ)償、控制器補(bǔ)償下的刀具軌跡如圖6和圖7所示(這里δ=0)。

圖6 電腦補(bǔ)償軌跡

圖7 控制器補(bǔ)償軌跡

由式(1)至(15)可得如下結(jié)果:

(1)電腦補(bǔ)償粗精加工參數(shù)計(jì)算

粗加工:δ=Δ1=0.5mm，此時(shí)刀具軌跡到零件輪廓距離為5.5mm(R+δ)。

精加工:δ=0(補(bǔ)償軌跡如圖6)，此時(shí)刀具軌跡到零件輪廓距離為5mm(刀具半徑)。

(2)控制器補(bǔ)償粗精加工參數(shù)計(jì)算

粗加工:DXX=R+Δ1=5mm+0.5mm=5.5mm

精加工:DXX=R=5mm

(3)兩者同時(shí)補(bǔ)償時(shí)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)二者同時(shí)補(bǔ)償時(shí)的規(guī)定，這里首先進(jìn)行電腦補(bǔ)償，而且δ值為0，而后再用控制器補(bǔ)償。其粗精加工參數(shù)設(shè)置如下:

粗加工:δ=0，DXX=Δ1=0.5mm，此時(shí)刀具軌跡到零件輪廓的距離為5.5mm(電腦補(bǔ)償時(shí)刀具軌跡到零件輪廓距離與控制器補(bǔ)償時(shí)刀具軌跡到零件輪廓距離之和，即R+DXX)。

精加工:δ=0，DXX=0，此時(shí)刀具軌跡到零件輪廓的距離為5mm。

這里如果要通過改變?chǔ)闹祵?shí)現(xiàn)刀具的半徑補(bǔ)償功能的話，那參數(shù)設(shè)置就不唯一了，就像數(shù)學(xué)里面的排列組合一樣。在這里只要保證粗加工時(shí):δ+DXX=Δ1;精加工時(shí):δ+DXX=0就可以了。

從以上結(jié)果可以看出，無論是使用電腦補(bǔ)償、控制器補(bǔ)償或者二者同時(shí)補(bǔ)償，粗精加工時(shí)刀具軌跡到零件外輪廓的距離都是一樣的，也就是都實(shí)現(xiàn)了刀具的補(bǔ)償功能，效果一致。

3 結(jié)束語

當(dāng)然，在實(shí)際生成過程中刀具使用時(shí)間長了肯定會(huì)磨損的，這一點(diǎn)也會(huì)影響到刀具補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)定。另外，從提高編程效率的角度來說，電腦補(bǔ)償相比控制器補(bǔ)償要差一些。因?yàn)橥ㄟ^電腦補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)零件粗精加工時(shí)每次都要生成新的數(shù)控程序，再重新輸入數(shù)控系統(tǒng)，那么加工效率就降低了;而采用控制器補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)零件的粗精加工時(shí)只需修改原程序中的刀具半徑補(bǔ)償值，即DXX值就可以了。還有一點(diǎn)就是當(dāng)兩者補(bǔ)償同時(shí)進(jìn)行時(shí)，只要δ值確定，那么通過刀具半徑補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)零件粗精加工的情況就和控制器補(bǔ)償時(shí)一樣了，否則效果會(huì)更差。

［1］張國雄.三座標(biāo)測量機(jī)(第一版)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1999.

［2］鄧奕.MasterCAM數(shù)控加工技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［3］李健，等.CAD/CAM自動(dòng)編程中尺寸公差的保證［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化技術(shù)，2004(7):55-57.

［4］佛新崗.基于MasterCAM非曲面零件的快速加工及對刀技巧［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(5):104-106.

［5］張導(dǎo)成，等.MasterCAM刀具半徑補(bǔ)償功能的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2006(1):44-45.

［6］杜家熙.刀具半徑補(bǔ)償中的過切處理［J］.機(jī)床與液壓，2004(6):174-176.

NC Machining of Parts Dimension Precision Control Based on the MasterCAM

FO Xin-gang
(Department of Aeronautical Manufacturing Engineering，Xi’an Aeronautical Vocation and Technical College，Xi’an 710089，China)

MasterCAM software research with the tool to make corrections，XYZ direction of reserved space，XYZ plane and multiple processing methods such as process quality control in part the role of processing parameters set by a reasonable size to control the precision parts.MasterCAM tool corrections are introduced and integrated application of XYZ amount set aside by the semi-finishing，finishing in a reasonable amount to set allowances and make corrections to ensure the accuracy of the machining dimensions.

MasterCAM;tool correction;precision control

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)01-0099-04

2011-06-09

佛新崗(1981—)，男，陜西富平人，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空制造工程系計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造教研室講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、數(shù)控加工，(E-mail)xgfo@163.com。

(編輯 李秀敏)