動(dòng)態(tài)粗車策略在成形面車削中的應(yīng)用研究

劉輝

摘要：本文基于成形面數(shù)控車削過程中遇到的實(shí)際問題展開探討，提出以Mastercam軟件的動(dòng)態(tài)粗車加工策略為途徑實(shí)現(xiàn)成形面和圓弧槽的高速高效加工。論文首先分析了動(dòng)態(tài)粗車的應(yīng)用條件，提出了外圓球刀的創(chuàng)建方法并對工藝參數(shù)進(jìn)行了深入研究。繼而分析了某成形面零件的數(shù)控加工工藝，生成了動(dòng)態(tài)粗車優(yōu)化刀路并順利加工出合格的產(chǎn)品。隨后從刀路特征、程序內(nèi)容、加工時(shí)間三個(gè)方面與傳統(tǒng)粗車做了詳細(xì)對比。最后，進(jìn)一步討論了動(dòng)態(tài)粗車策略在圓弧槽加工中的拓展應(yīng)用，得出肯定結(jié)論。動(dòng)態(tài)粗車策略為成形面和圓弧槽的高速加工提供了新的思路，該解決方案具有明顯的優(yōu)勢，論文體現(xiàn)了一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： Based on the actual problems encountered in the CNC turning of the forming surface， this paper proposes to use the dynamic rough turning strategy of the Mastercam software to realize the high-speed and high-efficiency machining of the forming surface and the arc groove. This paper first analyzes the application conditions of dynamic rough turning， proposes the creation method of the external ball knife and conducts in-depth research on the process parameters. Then it analyzes the CNC machining process of a certain forming surface part， generates a dynamic rough turning to optimize the tool path and smoothly processes qualified products. Then it makes a detailed comparison with traditional rough turning from three aspects of tool path characteristics， program content， and processing time. Finally， it discusses the expanded application of dynamic rough turning strategy in arc groove machining， and draws a positive conclusion. The dynamic rough turning strategy provides a new idea for the high-speed machining of the forming surface and the arc groove. This solution has obvious advantages. The paper reflects a certain practical application value.

關(guān)鍵詞：成形面;動(dòng)態(tài)粗車;Mastercam;刀路優(yōu)化

Key words： forming surface;dynamic rough turning;Mastercam;tool path optimization

中圖分類號(hào)：F283? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0120-04

0? 引言

具有曲線輪廓的旋轉(zhuǎn)體表面稱為成形面，又稱特形面。成形面一般由一段或多段圓弧組成，按其圓弧的形狀可分為凸圓弧和凹圓弧，一些特殊的圓弧槽也可看做成形面。外凸成形面因其輪廓一般處于進(jìn)給方向的開放區(qū)域，在數(shù)控車床上的加工方法與一般外圓、錐面的加工相似，應(yīng)用“外圓粗車+輪廓精車”的工藝實(shí)現(xiàn)高效車削。而內(nèi)凹成形面及圓弧槽往往處于軸向進(jìn)給方向的封閉區(qū)域，表面受到其他特征或輪廓的遮擋，粗加工時(shí)一般采用仿形粗車、“扎入式”外圓粗車或徑向切槽的手段去除材料。這些方式的優(yōu)點(diǎn)是對刀具要求低，普通外圓車刀或切槽刀即可實(shí)現(xiàn)加工;編程相對簡單，對軟件平臺(tái)要求低甚至手工編程即可實(shí)現(xiàn);程序簡短，對數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)空間和CNC性能要求不高。缺點(diǎn)是切入時(shí)刀尖首先扎入毛坯，由于切削力大，切屑與前刀面接觸長度短，應(yīng)力集中在刀尖，易使刀具崩刃;副后刀面與已加工表面存在擠壓與摩擦產(chǎn)生大量切削熱，切入過程常伴有嘯叫;通常選用35°尖刀，其刀尖強(qiáng)度低，最大斜插角度小于50°，難以勝任陡峭面和圓弧槽的加工;當(dāng)處于臨界狀態(tài)時(shí)，副切削刃存在和已加工表面干涉的風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)使用切槽方式加工時(shí)，存在徑向切削力大，排屑斷屑冷卻條件差，加工效率低的缺陷。動(dòng)態(tài)加工策略是近年來出現(xiàn)的新型刀路算法，在復(fù)雜表面車削中具有較高應(yīng)用價(jià)值，本文提出以Mastercam軟件的動(dòng)態(tài)粗車策略為途徑，實(shí)現(xiàn)成形面零件的高速高效加工。

1? 動(dòng)態(tài)粗車概述

Mastercam是CNC Software公司開發(fā)的基于PC平臺(tái)的CAD/CAM軟件。集二維繪圖、三維實(shí)體造型、曲面設(shè)計(jì)、體素拼合、數(shù)控編程、刀具路徑模擬及機(jī)床仿真模擬等多種功能于一身。Mastercam提供了設(shè)計(jì)零件外形所需的理想環(huán)境，其強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線、曲面零件。Mastercam支持中文環(huán)境，集經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性于一體[1]，對廣大的中小企業(yè)是理想的選擇，是經(jīng)濟(jì)有效的全方位的軟件系統(tǒng)，是工業(yè)界及學(xué)校廣泛采用的CAD/CAM系統(tǒng)。

Mastercam不但具有強(qiáng)大穩(wěn)定的造型功能，可設(shè)計(jì)出復(fù)雜的曲線、曲面零件，而且具有強(qiáng)大的曲面粗加工及靈活的曲面精加工功能。其可靠刀具路徑效驗(yàn)功能使Mastercam可模擬零件加工的整個(gè)過程，模擬中不但能顯示刀具和夾具，還能檢查出刀具和夾具與被加工零件的干涉、碰撞情況，真實(shí)反映加工過程中的實(shí)際情況。同時(shí)Mastercam對系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要求較低，使用戶無論是在造型設(shè)計(jì)、CNC銑床、CNC車床或CNC線切割等加工操作中，都能獲得最佳效果。Mastercam軟件已被廣泛的應(yīng)用于通用機(jī)械、航空、船舶、軍工等行業(yè)的設(shè)計(jì)與CNC加工，從80年代末起，我國就引進(jìn)了這一款著名的CAD/CAM軟件，為國內(nèi)制造業(yè)的迅速崛起作出了巨大貢獻(xiàn)。

動(dòng)態(tài)粗車加工策略是Mastercam軟件提供的一種專為高速切削加工而設(shè)計(jì)的刀路，其切削面積均勻，材料切入、切出以切線為主，刀具軌跡平滑流暢，加工過程中較少應(yīng)用G00過渡，因此加工過程中切削力變化較小，適合于高速車削加工的條件[2]。使用動(dòng)態(tài)粗車刀軌有效地加工零件，同時(shí)使用更多的切削刃，延長刀具壽命，提高切削速度。

動(dòng)態(tài)粗車可使刀具與工件表面更加貼合，而不會(huì)造成過切。刀具以“滾動(dòng)”的方式運(yùn)動(dòng)，使切入過程更加平順，最大限度地減少了刀片的磨損。由于沒有進(jìn)給方向的突然變化，機(jī)床伺服系統(tǒng)負(fù)荷較低，更有利于高速高精加工。所有重新定位移動(dòng)都是平滑的圓弧。動(dòng)態(tài)粗車策略可以根據(jù)要去除的材料以及工件實(shí)際輪廓以自適應(yīng)的方式生成刀路。因此，動(dòng)態(tài)粗車能夠在幾乎任何切削部位實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定一致的切削條件。

2? 動(dòng)態(tài)粗車應(yīng)用條件

2.1 刀具創(chuàng)建

動(dòng)態(tài)粗車加工策略對刀具的要求是必須使用安裝圓刀片的外圓球刀。在車刀管理列表[3]新刀具，類型選擇標(biāo)準(zhǔn)車刀。在刀片選項(xiàng)卡選擇圓形刀片，內(nèi)圓直徑為6mm，刀片厚度代號(hào)02，刀片后角7°，即刀片型號(hào)為RCMT0602MO。刀桿選項(xiàng)卡中選擇平直刀桿，型號(hào)為SRDCN2020K06，與刀片適配。刀片刀桿幾何參數(shù)如圖1-圖2所示。

刀具參數(shù)選項(xiàng)卡中，設(shè)定刀號(hào)、刀塔號(hào)、刀補(bǔ)號(hào)均為2，即刀具調(diào)用指令為T0202，默認(rèn)切削參數(shù)和刀路參數(shù)根據(jù)刀片推薦切削用量設(shè)定。刀位點(diǎn)選擇虛擬刀尖，即主副切削刃平行X、Z軸的切線交點(diǎn)。刀具參數(shù)如圖3所示。

2.2 工藝參數(shù)

動(dòng)態(tài)粗車的工藝參數(shù)主要包含步進(jìn)量、預(yù)留量、方向、補(bǔ)正、切入/切出等參數(shù)。參數(shù)定義如表1所示。

3? 內(nèi)凹成形面零件動(dòng)態(tài)粗車加工

3.1 加工工藝分析

分析圖4零件，毛坯選擇45#鋼棒料，尺寸為Φ40×100mm，車床配置三爪自定心卡盤，左端夾持長度30mm，裝夾可靠，能夠承受較大的切削力。選擇93°外圓刀加工端面和圓柱面，外圓球刀加工成形面。

切削速度計(jì)算公式可表示為：

采用高速加工思路，設(shè)定切削速度為180m/min，代入式（1）并結(jié)合實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)和刀具性能、主軸限速等，確定粗車加工轉(zhuǎn)速為1500rpm。根據(jù)零件表面質(zhì)量要求、工件材質(zhì)、刀具性能并結(jié)合實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定粗加工fn=0.15mm/r，ap=1mm，精車余量0.2mm。

3.2 刀路生成與優(yōu)化

動(dòng)態(tài)粗車策略基于毛坯和輪廓計(jì)算刀路，因此必須在機(jī)床群組中設(shè)置毛坯。依據(jù)實(shí)際毛坯尺寸，設(shè)置外徑40mm，長度100mm，為方便檢查干涉情況，設(shè)置卡盤夾緊方式和夾持長度30mm。繼而選擇動(dòng)態(tài)刀路，開始串連加工輪廓。使用單體串連[4]選擇成形面輪廓，完成后進(jìn)入動(dòng)態(tài)粗車參數(shù)設(shè)置界面。按照前文分析結(jié)果，設(shè)定加工參數(shù)如圖5、圖6所示，生成刀路如圖7所示。

3.3 實(shí)際加工驗(yàn)證

加工測試平臺(tái)使用大連機(jī)床CKD6140i數(shù)控車床，搭配FANUC 0i Mate-TD數(shù)控系統(tǒng)，配置3000rpm模擬主軸，前置刀架。三爪卡盤定心精度±0.02mm，進(jìn)給軸重復(fù)定位精度0.01mm，平臺(tái)滿足圖紙零件加工工藝要求。刀路經(jīng)專用后處理生成車削程序并導(dǎo)入機(jī)床，順利完成試加工，車削時(shí)間約2min，刀具磨損不明顯，結(jié)果如圖8所示，效果達(dá)到預(yù)期。對加工過程進(jìn)行監(jiān)控，機(jī)床負(fù)載小且穩(wěn)定，切削輕快，切削用量具備進(jìn)一步提升的潛力。

3.4 常用加工策略比較

在Mastercam軟件中使用外圓粗車和仿形粗車策略計(jì)算內(nèi)凹成形面車削軌跡，除刀具采用35°尖刀外，切削用量與動(dòng)態(tài)粗車保持一致，生成刀路如圖9所示。

從刀路特征上看，動(dòng)態(tài)粗車依托高級算法，軌跡具有明顯的輪廓自適應(yīng)特征，外部刀軌形狀與毛坯外圓相似，內(nèi)部刀軌逐漸貼近成形面輪廓，刀軌間的連接以圓弧過渡為主，空刀行程少，刀具始終處于切削狀態(tài)，精車余量均勻。外圓粗車則是典型的軸向分層車外圓的刀路形式，刀尖以一定進(jìn)刀向量扎入毛坯，執(zhí)行“進(jìn)刀-切削-退刀-返回”的固定循環(huán)，一個(gè)循環(huán)只執(zhí)行一次車削過程，存在空刀的現(xiàn)象。最后執(zhí)行一刀輪廓加工，去除臺(tái)階狀殘料，使得精車余量均勻。仿形粗車也是常用的成形面粗車策略，刀路形式與輪廓表面完全相同，刀具運(yùn)行狀態(tài)與外圓粗車相似，同樣存在空刀現(xiàn)象，精車余量均勻。

從程序上看，動(dòng)態(tài)粗車程序段為330行，程序大小為10kB。這是由于部分車削軌跡為非圓曲線，通過后處理器分解為小線段，以G1指令逼近的方式重新擬合。該方式對CNC性能、存儲(chǔ)空間提出一定要求，具備高速高精先行控制等功能的數(shù)控系統(tǒng)能夠最大化的發(fā)揮動(dòng)態(tài)粗車的優(yōu)勢。傳統(tǒng)粗車策略程序段為70行，程序大小不足2kB，軌跡均為單一的長直線或大圓弧，對CNC性能和先進(jìn)程度要求不高，數(shù)控系統(tǒng)普適性好。

從加工時(shí)間上看，動(dòng)態(tài)粗車用時(shí)最短，且具備進(jìn)一步提升切削用量的潛力，與之相對，傳統(tǒng)粗車用時(shí)略長。如對動(dòng)態(tài)粗車的刀具選型、工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)計(jì)能夠減少加工時(shí)間約40%左右。

4? 動(dòng)態(tài)粗車在圓弧槽加工中的應(yīng)用

對于圓弧槽以及陡峭成形面等特征，普通四邊形外圓車刀難以下刀，一般做法是使用切槽方式加工。切槽時(shí)，徑向切削力大、進(jìn)給速度低、斷削排削冷卻條件差，深槽加工還需使用斷續(xù)切削的模式改善工藝條件，程序段中需要增加額外的換刀工序，切槽過程往往成為整個(gè)零件加工的瓶頸，直接影響生產(chǎn)率。將動(dòng)態(tài)粗車策略應(yīng)用于圓弧槽加工中，優(yōu)點(diǎn)如下：①變較大背吃刀量的徑向進(jìn)給為較小切削深度的軸向進(jìn)給，減小加工過程中的變形，有利于保證槽加工精度。②外圓球刀切削速度高，刀具在槽內(nèi)以左右擺動(dòng)的方式切除材料，有效打開切削空間，改善工藝條件，提升表面質(zhì)量。③刀具始終處于切削狀態(tài)，幾乎無空刀，吃刀量保持穩(wěn)定，避免徑向切槽第一刀和狹窄區(qū)域吃刀量不均勻的現(xiàn)象。④可以和其他部位的粗車共用一把車刀，減少換刀次數(shù)，能夠應(yīng)用較快的進(jìn)給速度，降低非切削時(shí)間，提升加工效率。

下面以某型帶輪槽的加工為例，進(jìn)行動(dòng)態(tài)粗車和傳統(tǒng)切槽的對比。動(dòng)態(tài)粗車使用R3球刀，徑向切槽使用3mm槽刀，分別設(shè)置合理的切削用量，基于前述方法分別生成刀路，如圖10所示。

在加工結(jié)果相似的情況下，動(dòng)態(tài)粗車加工時(shí)間約1min，徑向切槽加工時(shí)間近2min，考慮到額外的換刀時(shí)間，車削效率提升1倍以上。

5? 結(jié)束語

Mastercam軟件的動(dòng)態(tài)粗車加工策略應(yīng)用高級算法生成的輪廓自適應(yīng)刀路在減小切削力、降低機(jī)床負(fù)荷、提高刀具壽命、提升加工效率等方面實(shí)現(xiàn)了較為理想的平衡。本文通過對動(dòng)態(tài)粗車的技術(shù)要求、工藝參數(shù)的深入研究，在充分分析某成形面零件加工工藝的基礎(chǔ)上，生成動(dòng)態(tài)粗車優(yōu)化刀路并順利加工出合格的產(chǎn)品，驗(yàn)證了該刀路有效性。從刀路特征、程序內(nèi)容、加工時(shí)間三個(gè)方面與傳統(tǒng)粗車做了對比，動(dòng)態(tài)粗車的刀具軌跡更加適應(yīng)產(chǎn)品對先進(jìn)制造技術(shù)的要求，有助于降低成本，提高生產(chǎn)率。最后，進(jìn)一步探討了動(dòng)態(tài)粗車策略應(yīng)用于圓弧槽加工的優(yōu)勢。本文對成形面和圓弧槽的高速加工提供了新的思路，提出的動(dòng)態(tài)粗車解決方案具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳宏梅，王甫.MasterCAM軟件在數(shù)控加工中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（3）：257-258.

[2]陳為國，陳昊.圖解Mastercam2017數(shù)控加工編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：250-252.

[3]李月娥.基于MasterCAM的車削自動(dòng)編程研究[J].機(jī)械工程師，2015（8）：78-79.

[4]李欣，張禮.MasterCAM串連功能詳解及應(yīng)用技巧[J].模具制造，2019（5）：70-75.