數(shù)控實訓(xùn)中典型零件的不同編程方式及其仿真加工分析

姚國林

（河南科技學(xué)院機電工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展以及計算機技術(shù)的成熟使用，我國在機械制造領(lǐng)域更加注重零件制造的高精密性。在這一背景下，數(shù)控技術(shù)應(yīng)運而生，其高度自動化、集成化、智能化，使用簡單的數(shù)控編程軟件進行編程，即可對零件進行自動加工，極大地提升了加工效率。尤其是近幾年，隨著校企人才培養(yǎng)模式的興起，數(shù)控加工技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)大部分高校不可或缺的一門實訓(xùn)課程[1-2]。

目前，高校的數(shù)控技術(shù)實訓(xùn)經(jīng)常使用的是軟件自動編程，然后將程序?qū)霗C床內(nèi)部進行識別、讀取、運行、加工等一系列操作。自動編程的優(yōu)點是簡單、快捷，尤其是對于復(fù)雜形狀的零件，很大程度上節(jié)省了手動編程時間，降低了編程難度；缺點是前期需要學(xué)習(xí)相關(guān)的編程軟件，并具備一定的工程圖繪制基礎(chǔ)知識，而且編程時容易出現(xiàn)空走刀現(xiàn)象，總體來講不適合形狀過于簡單的零件加工。手動編程此時就派上了用場，手動編程普遍用于加工形狀簡單的回轉(zhuǎn)體零件以及部分銑床類零件，但對于非一般圓弧曲線類零件則不適用[3]。手動編程的優(yōu)點是方便、簡單，可以省去前期的建模時間，并且?guī)缀醪粫霈F(xiàn)空走刀現(xiàn)象，很好地優(yōu)化了加工路線；缺點是編程人員需要非常豐富的機床加工經(jīng)驗以及制造專業(yè)技術(shù)，并且要求編程人員具備較高的專業(yè)素養(yǎng)，對于剛?cè)胄械男率植僮髌饋磉€是很有難度的。綜上所述，兩種編程方法各有利弊，分別適用于不同的生產(chǎn)零件和加工環(huán)境，對于高校數(shù)控技術(shù)實訓(xùn)，以數(shù)控編程為主，手動編程為輔，可以更好地提高零件的加工效率以及加工質(zhì)量，從而滿足零件實際加工的要求。

本文以實訓(xùn)中一個典型的數(shù)控車床零件為例，分別以CAXA數(shù)控車軟件和手動編程軟件進行編程，并使用斯沃仿真系統(tǒng)進行仿真加工，為以后高校數(shù)控技術(shù)實訓(xùn)提供了一定的參考。

1 零件加工工藝分析

圖1是常見的典型回轉(zhuǎn)體零件圖。

圖1 零件圖

分析零件圖可得，該零件總長度為52 mm，偏差±0.05 mm。從左至右依次是半徑為10 mm的球體圓弧、直徑15 mm的圓柱體、公稱直徑24 mm/螺距1.5 mm普通螺紋（帶倒角）、直徑20 mm上偏差為0/下偏差為0.021 mm的圓柱體（帶倒角）。

根據(jù)圖1可知，該零件毛坯采用直徑25 mm、長度95 mm的圓柱體棒料。為了方便后期加工，棒料材料采用硬鋁?；剞D(zhuǎn)體零件采用數(shù)控車床加工，使用數(shù)控車床的內(nèi)三角卡盤裝夾，外露長度為65 mm，因為零件總體長度較短，所以加工時不考慮毛坯跳動問題，另一端不采用頂尖裝夾?？紤]到加工精度，采用一次裝夾即一次加工整個外形輪廓。由于工件左端帶有圓弧，考慮到便于切斷，以工件左端平面中點為工件坐標系。詳細加工過程如表1所示。

表1 加工過程詳細參數(shù)

2 自動編程

本次自動編程采用CAXA200軟件進行建模并編程，由于待加工零件為回轉(zhuǎn)體零件，故在建模時只需要繪制零件的外輪廓曲線并組成封閉區(qū)域即可，該封閉區(qū)域稱為待加工區(qū)域。為了直觀感受零件的形狀，本文畫出零件的一半模型并組成封閉區(qū)域，如圖2所示。

圖2 CAXA繪制待加工模型

2.1 外輪廓粗加工參數(shù)選擇

（1）加工參數(shù)：加工精度選擇0.1 mm，加工角度為180°，加工余量為0.2 mm，切削行距選擇2 mm，干涉前后角度分別為0°和60°，拐角過渡方式選擇圓弧過渡，刀尖半徑補償選擇編程時考慮，加工方式選擇行切方式。

（2）進退刀方式：每行相對毛坯進刀方式選擇垂直進刀，每行相對毛坯退刀方式采用與加工表面成定角。

（3）切削用量：參照表1。

（4）輪廓車刀參數(shù)：參照圖3。

圖3 輪廓車刀參數(shù)

（5）生成加工軌跡：設(shè)定好粗加工參數(shù)后，使用限制鏈拾取或者單個拾取的方式得到零件外輪廓，并選擇合適的進退刀點，生成加工軌跡，如圖4所示。

圖4 粗、精加工軌跡

（6）生成G代碼：在生成刀具軌跡之后，選擇菜單欄里的代碼生成功能，先設(shè)置好相對應(yīng)的機床系統(tǒng)FANUC，然后拾取刀具軌跡，即可生成相對應(yīng)的G代碼。代碼部分截圖如圖5所示。

圖5 粗加工G代碼部分截圖

2.2 外輪廓精加工參數(shù)選擇

（1）加工參數(shù)：加工精度選擇0.01 mm，加工余量0 mm，切削行距選擇0.5 mm，干涉前后角度分別為0°和60°，拐角過渡方式選擇圓弧過渡，刀尖半徑補償選擇編程時考慮。

（2）進退刀方式：每行相對毛坯進刀方式選擇垂直進刀，每行相對毛坯退刀方式采用與加工表面成定角。

（3）切削用量：參照表1。

（4）輪廓車刀參數(shù)：參照圖3。

（5）生成加工軌跡：設(shè)定好精加工參數(shù)后，使用限制鏈拾取或者單個拾取的方式得到零件外輪廓，并選擇合適的進退刀點，生成加工軌跡，如圖4所示。

（6）生成G代碼：操作同粗加工G代碼操作方式一樣，需要注意的是，在拾取刀具軌跡時應(yīng)選擇拾取精加工刀具軌跡。代碼部分截圖如圖6所示。

圖6 精加工G代碼部分截圖

2.3 螺紋加工參數(shù)選擇

（1）螺紋類型：由圖1可知應(yīng)選擇外輪廓類型。螺紋牙高可根據(jù)公式計算得到1.299 mm，螺紋長度在拾取加工兩點后自動生成。

（2）螺紋加工參數(shù)：加工工藝選擇粗加工+精加工方式。精加工的行距選擇0.09 mm，此處需要注意，精加工的行距不得大于精加工深度。

（3）進退刀方式：粗、精加工均選擇垂直進退刀。

（4）切削用量：詳見表1。

（5）螺紋車刀：選擇螺距為1.5 mm的外螺紋車刀，刀具種類選擇米制螺紋，經(jīng)過計算可知，刀刃長度1.29 mm、刀尖寬度0.15 mm、刀具角度60°。

（6）生成加工軌跡：修改完參數(shù)后，依次拾取要加工螺紋段的左端點和右端點，然后選擇合適進退刀點，即可生成刀具軌跡，如圖7所示。

圖7 螺紋刀具軌跡

（7）生成G代碼：選擇代碼生成功能，設(shè)置好文件名以及需要的數(shù)控系統(tǒng)型號，拾取加工軌跡，即可生成G代碼。部分截圖如圖8所示。

圖8 螺紋刀G代碼部分截圖

2.4 車斷

車斷的詳細參數(shù)參考表1。

3 手動編程

手動編制要求圖紙分析、工藝分析、刀具和參數(shù)選擇、編程及輸入全部由人工完成。結(jié)合手動編程的優(yōu)缺點，本文中的零件屬于小型簡單零件，可以用手動編程實現(xiàn)加工[4]。

加工零點：手動編制時，首先要確定加工原點，然后再逐步計算其他點的坐標。編程時需要考慮到G1/G2等機床語言指令，再加一個循環(huán)指令G71等[5]。本次選擇以工件的左端平面中心點作為加工零點。

刀具選擇：粗車和精車毛坯外輪廓均采用T01（35°外圓尖刀），加工螺紋采用T02（螺距1.5 mm的外螺紋車刀），最后車斷采用T03（3 mm的切斷刀）。

手動編程代碼如表2所示。

表2 手動編程代碼

4 仿真加工

斯沃仿真軟件是一款多功能輔助教學(xué)軟件，它包含國內(nèi)外眾多數(shù)控加工系統(tǒng)，并且覆蓋了數(shù)控車、數(shù)控銑、加工中心等不同類型機床，可通過模擬現(xiàn)實數(shù)控機床的加工過程，更加直觀地顯示出待加工工件的最終加工效果[6]。為了對比分析兩種編程方式達到的加工效果，本文將自動編程和手動編程的程序分別導(dǎo)入斯沃仿真軟件進行比較分析。兩種不同加工方式所得到的仿真加工效果分別如圖9、圖10所示，圖9為自動編程仿真加工最終效果圖，圖10為手動編程仿真加工效果圖。

圖9 自動編程仿真加工效果圖

圖10 手動編程仿真加工效果圖

對比分析：在仿真結(jié)束之后，利用仿真軟件自帶的功能分別對自動編程和手動編程的仿真結(jié)果進行提取分析。由圖9、圖10的圖（a）可知，無論是自動編程還是手動編程的程序都可以在仿真軟件中加工出工件的最終形狀；對比分析圖（b）可知，在仿真加工中，進給倍率是100%，單次運行的情況下，自動編程運行時間為44 s，手動編程運行時間為19 s，是前者時長的一半不到；通過對比圖（c）可得，自動編程的粗糙度比手動編程略大，但是由于仿真軟件的精準性，此數(shù)據(jù)只是參考，不能作為實際加工數(shù)據(jù)使用；對比分析圖（d）可知，兩種編程方式的加工尺寸精度誤差都在規(guī)定范圍內(nèi)，符合尺寸要求。

5 結(jié)論

由仿真加工的結(jié)果可知，自動編程運行時間比手動編程運行時間長；且相同進給倍率下自動編程粗糙度比手動編程粗糙度略大，但此數(shù)據(jù)只能作為參考；兩種編程方式的加工精度相當(dāng)?？偟膩碚f，對于特殊曲面較多的復(fù)雜性零件，采用自動編程較為快捷方便；對于普通、簡單的零件，采用手動編程較為快捷、省時，但對操作人員的編程經(jīng)驗要求較高。