曲桿泵芯模的三維建模與數(shù)控仿真加工*

盧志偉，曹 巖

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710032)

0 引言

Mastercam X6 集二維繪圖、三維實體、曲面設(shè)計、數(shù)控編程、刀具路徑模擬與仿真等功能于一體，不僅可以完成產(chǎn)品的設(shè)計、模擬仿真加工、顯示走刀路徑，及時修改不合理或錯誤，避免因錯誤走刀軌跡給零件實際加工帶來材料浪費，加快機床上的編程和減少程序的空運行時間，還解決了復(fù)雜零件型面加工精度的問題［1-3］。曲桿泵主要工作部件是偏心螺桿(轉(zhuǎn)子)和固定的襯套(定子)，其轉(zhuǎn)子與定子回轉(zhuǎn)嚙合情況及工作原理如圖1 所示。隨著計算機技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，曲桿泵芯模的加工正普遍地采用計算機輔助設(shè)計與制造，它能有效地提高設(shè)計與加工的速度及質(zhì)量［4-7］。本文研究的數(shù)控加工的定子曲桿泵芯模的三維形狀和尺寸如圖2所示。

圖1 單螺桿泵工作原理圖

圖2 曲桿泵芯模的三維圖及相關(guān)尺寸

1 曲桿泵芯模的工藝分析

如圖2 所示是本文研究的一個待加工的曲桿泵芯模零件，定子為雙頭螺桿，其偏心距a =24mm，截面圓弧R=33.4mm，螺距P =320 ±0.02mm，定子芯模零件長L=480mm，工作表面的表面粗糙度Ra 不大于1.6μm，零件經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理HRC30 ～34。毛坯軸在進行數(shù)控銑加工工序之前，外圓直徑已粗車，在軸的兩端留有三爪卡盤夾持用工藝加長部分及尾頂尖用中心孔。定子曲桿泵芯模的加工工藝方案如表1 所示。

表1 定子曲桿泵芯模的加工工藝方案

2 曲桿泵芯模的三維建模

在Mastercam X6 軟件中編制加工程序時，首先要進行被加工零件的CAD 造型。要求建立截面曲線、掃描路徑曲線，然后利用Mastercam X6 軟件“構(gòu)造掃描曲面”功能完成建模。

2.1 繪制截面曲線

進入Mastercam X6 系統(tǒng)，單擊鼠標右鍵，系統(tǒng)在繪圖區(qū)彈出常用工具快捷菜單，選擇“右側(cè)視圖”命令，再單擊狀態(tài)欄中的“平面”圖標，系統(tǒng)即可彈出“繪圖面和刀具面”快捷菜單，選擇“右側(cè)視圖”命令，將繪圖平面及視圖平面都設(shè)置為右側(cè)視圖狀態(tài)。分別繪制圓弧、切線并對其進行編輯修剪，最后得到如圖3 所示的截面曲線。

圖3 繪制截面曲線

2.2 繪制掃描路徑曲線

由于掃描路徑曲線是空間螺旋線，該螺旋線空間任一點坐標的需用數(shù)學(xué)公式進行表述如(1)式。

式中:P—螺距，P = 320mm;R—螺旋半徑，R =33.4mm;t—角度變量，在0 ～540°之間變化(因芯模零件長度480mm，是螺距320mm 的1.5 倍，故最大回轉(zhuǎn)角度為1.5 ×360°)。

(1)單擊主菜單下的“設(shè)置”→“運行應(yīng)用程序”命令，系統(tǒng)即可彈出一對話框，選擇“fplot.dll”文件，單擊“打開”按鈕;選取任意一個曲線公式文件另存為“定子芯模. EQN”文件以進行編輯。系統(tǒng)彈出如圖4 所示的“Fplot”對話框，單擊“編輯公式”命令，打開“定子芯模. EQN-記事本”窗口，分別設(shè)定以下與螺旋線相關(guān)的參數(shù):

(2)保存文件，關(guān)閉編輯器;在如圖4 所示的“Fplot”對話框中單擊“打開文件”按鈕后，單擊“設(shè)置參數(shù)”按鈕，系統(tǒng)即可彈出如圖5 所示的“參數(shù)”對話框，顯示公式曲線的信息;在如圖4 所示的“Fplot”對話框中單擊“Plot it”命令，生成如圖6 所示的曲線。

圖4 “Fplot”對話框

圖5 “參數(shù)”對話框

圖6 掃描路徑螺旋線

2.3 繪制掃描軸控制線

2.4 繪制掃描曲面

單擊主菜單下的“繪圖”→“曲面”→“掃描曲面”命令，系統(tǒng)彈出“掃描”提示框，選擇(兩條路徑)按照系統(tǒng)提示“定義截面方向外形”選擇截面曲線，并單擊按鈕。在系統(tǒng)提示區(qū)顯示“定義引導(dǎo)方向外形”提示信息時，選擇螺旋線作為掃描路徑曲線。在系統(tǒng)提示區(qū)顯示“定義引導(dǎo)方向段落2”提示信息時，再單擊選擇掃描軸控制線，單擊按鈕執(zhí)行掃描，生成如圖8 所示的掃描曲面。

圖7 繪制掃描軸控制線

圖8 掃描曲面

3 曲桿泵芯模的仿真與后處理

3.1 創(chuàng)建半精加工刀位軌跡

在半精加工之前，曲桿泵芯模毛坯零件已被粗加工為光軸，現(xiàn)進行半精加工刀位軌跡的創(chuàng)建。單擊主菜單下的“刀具路徑”→“多軸加工”命令，系統(tǒng)彈出如圖9 所示“多軸刀具路徑-旋轉(zhuǎn)五軸”對話框，單擊左側(cè)的“刀具路徑類型”選項，選擇右側(cè)的第六個對象“旋轉(zhuǎn)五軸”;然后，單擊圖9 對話框左側(cè)的“刀具”選項，選擇φ16mm 的球頭立銑刀，設(shè)置進給率為700mm/min、主軸轉(zhuǎn)速為1500 r/min、下刀速率為50mm/min、提刀速率為100mm/min 等參數(shù)，單擊按鈕;單擊圖9 對話框左側(cè)的“切削的樣板”選項，用鼠標左鍵選擇如圖8 所示的工件曲面后，單擊“回車”鍵，為后面精加工設(shè)置“預(yù)留量”為0.5mm，;單擊圖9 對話框左側(cè)的“刀具軸控制”選項，設(shè)定旋轉(zhuǎn)4 軸為X 軸，要注意“最大步數(shù)”參數(shù)的設(shè)定，本例設(shè)定“最大步數(shù)”=4mm，則數(shù)控轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)就是121 圈(總?cè)?shù)按480/4 +1 計算);單擊按鈕，系統(tǒng)開始計算曲面的加工軌跡;單擊“操作管理器”對話框中的(加工仿真)按鈕，設(shè)置“驗證選項”中的毛坯形狀為“圓柱體”，其圓柱直徑方向為“X”，圓柱直徑為“133.6”，單擊按鈕;單擊(運行)按鈕即可生成如圖10 所示的刀具加工模擬仿真。

圖9 “多軸刀具路徑-旋轉(zhuǎn)五軸”對話框

圖10 半精加工模擬仿真

3.2 創(chuàng)建精加工刀位軌跡

在“操作管理器”中復(fù)制并粘貼上面生成的半精加工刀位軌跡，將刀具修改為φ12mm 球頭立銑刀用于精加工，設(shè)置其相關(guān)加工參數(shù)，單擊按鈕;在“操作管理器”中選擇精加工操作，單擊(重新計算所選操作)按鈕，系統(tǒng)開始重新計算曲面的加工軌跡，結(jié)果如圖11 所示;在“操作管理器”對話框中，單擊(選擇所有操作)按鈕，選擇所有的操作進行切削校驗。單擊(加工校驗)按鈕，進行切削校驗，切削過程如圖12 所示。

圖11 精加工刀具軌跡

圖12 刀具軌跡切削校驗

3.3 NC 后置處理

Mastercam X6 系統(tǒng)提供了通用的后置處理模塊，可針對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)制定符合系統(tǒng)要求的數(shù)控系統(tǒng)特性文件，利用已有的刀位文件(* . NCI)進行后置處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，生成NC 程序代碼。其中有不少后置處理模塊支持4 軸加工，使4 軸加工應(yīng)用變得十分方便。本文運用MasterCAM X6 的4 軸加工對曲桿泵芯模進行了的數(shù)控銑削編程加工，相對于曲桿泵芯模運用手工編程或少于四軸的編程軟件，特別是針對這種具有空間曲線零件需要人工進行復(fù)雜計算填補其中一些相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣不僅非常浪費編程人員的時間而且還不能保證編程的正確性。本文運用Mastercam X6 系統(tǒng)的四軸加工能夠很好地而且非常有效率的解決以上問題。在具有4 軸4 聯(lián)動或4 軸任意3 軸聯(lián)動的FANUC 數(shù)控系統(tǒng)立式數(shù)控加工中心上，對定子橡膠芯模的半精加工、精加工程序進行后置處理，可將“MPFAN. PST”文件打開，并進行少量編輯修改。在“操作管理器”對話框中，選擇所要進行后置處理的操作，單擊(后處理)按鈕，即可生成NC 程序如P0201 程序所示。

4 結(jié)論

文中按照曲桿泵芯模的加工要求，對曲桿泵芯模的工藝加工方案進行了設(shè)計，運用MasterCAM X6軟件建立了曲桿泵芯模的三維模型，對其半精加工、精加工刀具路徑進行了規(guī)劃，運用MasterCAM X6 的多軸加工方法進行了數(shù)控加工仿真，并進行了后置處理。這樣不僅大大縮短編程人員的工作量，更縮短了編程人員在數(shù)控機床上的調(diào)試時間，提高了零件的加工效率，大大提高了程序的正確性和安全性;而且解決了特別復(fù)雜的零件如曲桿泵芯模多軸加工的數(shù)控程序編制難題，充分體現(xiàn)了CAD/CAM 軟件在數(shù)控加工中的重要作用，提高了零件的加工效率，縮短了制造周期，提高了企業(yè)生產(chǎn)的自動化程度。

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