基于CAXA的粗精加工策略及路徑優(yōu)化研究

趙紀(jì)國 胡小靜

【摘 要】數(shù)控加工技術(shù)是以計(jì)算機(jī)集成制造、數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，用數(shù)字信息控制零件和刀具位移的機(jī)械加工方法，是產(chǎn)品自動化加工的現(xiàn)代制造工藝技術(shù)。其中，加工過程中的粗精加工策略是決定產(chǎn)品尺寸、形狀、位置精度的重要因素。文章主要研究和分析了CAXA制造工程師粗精加工的策略選擇及路徑優(yōu)化的關(guān)鍵問題，探討了如何優(yōu)質(zhì)、高效地提高產(chǎn)品的加工精度。

【關(guān)鍵詞】加工策略;路徑優(yōu)化;加工精度

【中圖分類號】TG659 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）05-0059-02

0 引言

數(shù)控加工技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟。隨著加工工藝的不斷完善，對零件精度的要求也越來越高。掌握CAM粗精加工策略及路徑優(yōu)化工藝能有效縮短加工周期、快速劃分加工工序、減少多余的刀具路徑、實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜零件的自動化加工。CAXA制造工程師是一款國產(chǎn)優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，在技術(shù)研究方面的知識涵蓋相當(dāng)廣泛，但在粗精加工策略選擇及路徑優(yōu)化問題上都是一筆帶過，相關(guān)的參考資料較少。本文基于CAXA制造工程師，以提高加工精度為目標(biāo)，從加工策略選擇、優(yōu)化刀具路徑入手，詳細(xì)地介紹了在粗精加工過程中，如何通過合理設(shè)置加工參數(shù)、優(yōu)化刀具路徑來提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文以第七屆數(shù)控技能競賽數(shù)控銑床競賽典型題目為例進(jìn)行研究和分析。

1 CAXA加工策略選擇

1.1 粗精加工選擇

粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，使毛坯的幾何外形接近成品，為精加工做好準(zhǔn)備。粗加工的特點(diǎn)是在能夠充分提高加工效率、不影響加工質(zhì)量的情況下，盡可能地選用較高的切削用量，并且采用合理的加工工藝，使刀具的磨損降到最低。由于粗加工時(shí)選用較大的進(jìn)給量和背吃刀量，刀具要承受較大的切削力，因此在選用刀具時(shí)要考慮刀具的強(qiáng)度、硬度等因素。

精加工階段要完成各主要表面的最終加工，是用高精度的刀具加工高精度的零件。在粗加工中產(chǎn)生的變形及誤差在精加工時(shí)能得到修正，使零件的加工尺寸精度和加工表面質(zhì)量等達(dá)到圖紙規(guī)定的要求。所以，應(yīng)根據(jù)零件圖標(biāo)注的尺寸公差確定零件尺寸最終應(yīng)達(dá)到的精度等級，并根據(jù)相關(guān)幾何要素選擇加工方案，并確定相應(yīng)的粗精加工策略。

1.2 加工余量的選擇

加工余量的控制是使零件能達(dá)到規(guī)定精度要求所必須把控的一關(guān)。一般情況下，在粗加工的過程中為了提高加工效率，通常采用快速的進(jìn)給和盡可能大的切削深度，只留下少量的精加工余量即可。比如，需半精加工的零件，可以在粗銑之后留0.5～1.0 mm的精加工余量。

若留過大的精加工余量，精加工時(shí)刀具切削負(fù)荷過大，將造成表面粗糙度不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，使粗糙度達(dá)不到要求。若留過小的精加工余量，由于受機(jī)床傳動系統(tǒng)的定位誤差和重復(fù)定位誤差的影響，很容易造成過切或欠切現(xiàn)象，過切直接影響幾何精度，而欠切則會產(chǎn)生嚴(yán)重的滯留刀痕，即不能清除上道工序在加工表面上的殘留和滯留刀痕等。若精加工余量設(shè)定合理，但粗加工的切削用量選擇過大，加工過程中刀具與切屑之間的壓力和摩擦過大并產(chǎn)生大量的熱，致使加工完成后零件中的殘余應(yīng)力過大，將會產(chǎn)生新的變形，影響加工精度。若各工序余量均在合理的控制范圍內(nèi)，加工完成后，零件的粗糙度、尺寸精度、位置精度都能達(dá)到圖紙要求。

由此可見，在制定加工策略時(shí)，應(yīng)合理安排各工序加工余量。

數(shù)控銑能達(dá)到的精度等級為IT12～I(xiàn)T7，零件主視圖如圖1所示，以基本尺寸為98 mm的外形為例，要得到IT8級的公差，加工方法選擇粗加工—半精加工—精加工。

加工余量的選擇，將粗加工的加工余量留1.4 mm左右，半精加工的余量應(yīng)留0.5 mm，在精加工中，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣咔邢魉俣?，從而減少吃刀深度。每一道工序結(jié)束后都應(yīng)對相關(guān)尺寸進(jìn)行測量，檢驗(yàn)其是否在工序公差的范圍內(nèi)，并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。只有余量控制得當(dāng)，才能進(jìn)一步探究其路徑優(yōu)化問題。

加工曲面、球面時(shí)，為了減少刀具的磨損，增加其使用壽命，可以在粗加工中增大行距并擴(kuò)大光順余量。用半精加工作為中間工序，使零件的余量小而均勻。只有這樣，加工的零件曲面才能在各個(gè)方面達(dá)到圖紙的要求。

2 刀具路徑優(yōu)化

2.1 輪廓線的優(yōu)選法

輪廓線的優(yōu)選法是路徑優(yōu)化需要把控的重要因素之一。等距實(shí)體邊界是我們選取輪廓線的主要途徑之一。在使用CAXA粗加工策略時(shí)，需要設(shè)置輪廓線和島嶼線等參數(shù)，其中輪廓線又叫“外部線條”，是指刀具移動加工范圍的外邊緣界線。輪廓線的選取決定了刀具在下刀過程中是否會直接切入毛坯（俗稱扎刀）或產(chǎn)生過長的刀具路徑。

在選取輪廓線時(shí)，輪廓線與實(shí)體邊界距離應(yīng)大于刀具直徑，否則將無法生成有效刀具路徑。輪廓線與實(shí)體邊界距離應(yīng)介于刀具直徑與2倍刀具直徑之間，根據(jù)毛坯尺寸，選擇下刀方式是螺旋或斜線，防止出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象。若加工時(shí)選取的輪廓線大于2倍刀具直徑，那么空運(yùn)行刀具軌跡就會明顯增多，加工時(shí)間隨之增加;若輪廓線選取小于刀具直徑，則無法生成刀具路徑，會出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，而且刀具切入毛坯時(shí)因受力不均，切削振動幅度增大，容易造成刀具崩刃或斷刀。

此外，要選擇合理的刀具軌跡，輪廓線的選取在刀具直徑與2倍刀具直徑之間，為防止扎刀造成刀具崩刃或斷刀，刀具下切過程中選擇螺旋方式，刀具受力比較均勻且沒有過多的空切路徑，縮短了加工時(shí)間，刀具的安全運(yùn)行也得到了保證。

2.2 以精代粗

精加工雖然是完成各主要表面的最終加工，但在一些特定的情況下，可以把精加工策略當(dāng)做粗加工策略使用。圖1所示零件粗加工外輪廓，若選用粗加工策略，需選定輪廓線與島嶼線，一旦選定，刀具路徑就無法改變，軌跡中有很多空刀，大都在拐角和模型的邊緣。若以精加工路徑策略代替粗加工路徑，精加工圍繞所選輪廓做等高線式地往下切削，沒有粗加工出現(xiàn)的多余空刀，優(yōu)化了刀具路徑，使刀具軌跡更加清晰。

通過機(jī)床加工實(shí)驗(yàn)證明，若選用相同的切削用量，粗加工工序的加工時(shí)間為17 min，精加工工序的加工時(shí)間為12 min。由此可見，在一定情況下，“以精代粗”可有效優(yōu)化刀具路徑，減少加工時(shí)間，提高工作效率，特別是當(dāng)圖紙中外形輪廓的大小與毛坯的尺寸之差小于刀具直徑時(shí)，這種方式更加便捷高效。但在此次加工完成后，依舊要進(jìn)行精加工，以保證精度要求。

2.3 合理減少抬刀次數(shù)

在粗加工時(shí)，應(yīng)盡量選擇區(qū)域間不抬刀或光滑連接參數(shù)，否則會造成在加工的過程中頻繁抬刀，刀具頻繁地垂直切入工件，容易造成斷刀，加工后也不符合精度要求且加工時(shí)間也會增加。而選擇區(qū)域間不抬刀或光滑連接參數(shù)，從下刀開始加工到抬刀結(jié)束，加工僅一次抬刀，大幅度地減少了加工時(shí)間，刀具和工件受力分布均勻，沒有滯留刀痕，也延長了刀具的使用壽命。在精加工時(shí)，應(yīng)盡量選擇區(qū)域間不抬刀，層間走刀盡量選擇螺旋式，否則容易造成層間有接刀痕，影響零件精度，同時(shí)也增加了加工時(shí)間。

3 結(jié)論

零件的加工質(zhì)量主要從加工精度（形狀尺寸位置精度）和加工表面質(zhì)量（Ra）兩個(gè)方面來考慮。本文從合理應(yīng)用粗精加工策略和優(yōu)化刀具加工路徑出發(fā)，能夠保證產(chǎn)品加工精度的同時(shí)提高加工效率，對數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[2]楊江河.現(xiàn)代數(shù)控銑削技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]張?jiān)平?，郝利?張靜云.CAXA制造工程師2015技能課訓(xùn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016（11）.

[4]安承業(yè).機(jī)械制造工藝基礎(chǔ)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.

[5]張超英.數(shù)控編程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[6]朱龍根.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]