基于MasterCAM的數(shù)控銑典型零件工藝分析及高效加工研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.025

摘" 要：為提高復(fù)雜零件加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，并研究數(shù)控銑削自動編程工藝方案，以世界技能競賽典型零件為例，針對加工余量大、工序多、加工精度高等特點，分析零件加工工藝，研究工藝路線，提出解決懸空類零件加工變形等問題的技術(shù)方案。采用MasterCAM軟件對其進行數(shù)控加工編程，在保證質(zhì)量和效率的前提下，選擇合理的加工參數(shù)，生成G代碼，最后成功實現(xiàn)零件的數(shù)控加工。經(jīng)過實際加工驗證，采用雙面開粗法、預(yù)留工藝臺等工藝手段及應(yīng)用MasterCAM軟件“優(yōu)化動態(tài)粗切”等功能，既能保證零件加工穩(wěn)定性，又能滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求。

關(guān)鍵詞：MasterCAM；數(shù)控銑；加工工藝；編程；G代碼

中圖分類號：TH164 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2023）32-0099-05

Abstract： In order to improve the machining quality and production efficiency of complex parts， the automatic programming process scheme of CNC milling is studied. Taking the typical parts of the world skill competition as an example， according to the characteristics of large machining margin， many working procedures and high machining precision， the machining technology of the parts is analyzed， the process route is studied， and the technical scheme to solve the problems of machining deformation of suspended parts is put forward. The MasterCAM software is used to program the CNC machining. On the premise of ensuring the quality and efficiency， the reasonable machining parameters are selected and the G code is generated. Finally， the CNC machining of the parts is realized successfully. After the actual processing verification， the use of \"double-sided coarsening method\"， \"reserved process table\" and the application of MasterCAM software \"optimize dynamic rough cutting\" and other functions can not only ensure the stability of parts processing， but also meet the requirements of product quality and production efficiency.

Keywords： MasterCAM; CNC milling; machining technology; programming; G code

數(shù)控銑項目作為一項重要的技能競賽項目，其技能要求較高，不僅要求選手掌握零件的工藝分析、加工路徑設(shè)計、程序編制和刀具選用等內(nèi)容，而且對選手的綜合素質(zhì)也提出了較高的要求。

在競賽過程中，由于零件自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其加工工藝也比較復(fù)雜，所以零件加工前的工藝分析和編程是保證數(shù)控加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。通過對零件進行工藝分析，可以確定合理的加工方案和合理的加工參數(shù)。同時通過 MasterCAM軟件對該零件進行編程仿真、模擬和優(yōu)化，可以使選手在保證質(zhì)量和效率的前提下，快速提高加工效率。

1" 零件概述

數(shù)控銑項目比賽中對選手的技能要求主要包括：了解工程圖紙和規(guī)范，掌握質(zhì)量管理國家標準國標行業(yè)規(guī)范技術(shù)規(guī)定ISO E和ISO A圖文標識；掌握表面粗糙度、形位公差的ISO標準等；進行工藝規(guī)劃，設(shè)置機器特點及其執(zhí)行序列；利用CAD/CAM系統(tǒng)生成程序和G代碼；工件測量和加工；識別不同加工工藝、功能參數(shù)，定義和調(diào)整切削參數(shù)。

本賽題為典型的數(shù)控銑削競賽類試題，零件尺寸為148 mm×98 mm×48 mm，材料為45#鋼。零件特征包含直線、圓弧等基本幾何要素，平面、臺階、外輪廓、凸臺、槽、內(nèi)外螺紋、型腔、島嶼、斜面和倒角等銑削加工工藝特征。加工該零件幾乎涵蓋了在數(shù)控銑床（加工中心）上所能完成的所有加工方式，包括銑、鉆、擴、攻絲、鉸孔、鏜孔和螺紋銑削等多種加工方式[1]。

通過對本賽題的分析，如圖1所示，培養(yǎng)選手解決高難度加工、大工作量的能力、識圖能力、快速建模能力及分析復(fù)雜工藝的能力，掌握工藝制定、刀具選用、量具測量、夾具設(shè)計及對零件的快速找正方法等多方面的技巧，讓選手正確選擇每個加工環(huán)節(jié)最優(yōu)的加工策略、合理的加工參數(shù)、在釋放應(yīng)力下的加工工藝方法[2]。

2" 工藝編排

2.1" 難點分析

從零件結(jié)構(gòu)上來看，屬于典型的懸空類零件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大的特點。

難點一：加工量大。

零件的毛坯尺寸為150 mm×100 mm×50 mm，加工需去除的材料較大，通過軟件對該圖紙進行實體建模測算，有將近1/3零件體積的余料需要去除。

難點二：工序復(fù)雜。

工件需要對3個面進行加工，工件裝夾次數(shù)較多，所用刀具數(shù)量及種類較多、換刀頻繁，因此對刀次數(shù)和對刀時間都有所增加。此外，在精加工過程中途停機檢測，這就導致了整個工件加工的耗時較長。要在5 h之內(nèi)，熟練地運用多種加工策略來完成對工件的加工，這就需要參賽選手的基本功扎實、邏輯清晰、受過高強度的訓練和具備良好的綜合能力。

難點三：零件尺寸多且精度要求高。

選手在短時間內(nèi)完成對零件平面圖的繪制及實體建模，對選手的讀圖識圖能力和空間思維能力要求較高。該零件約有80個尺寸，幾乎近一半的尺寸需要嚴格按照精加工等級IT7級（0.015～0.04 mm）的零件公差尺寸要求進行加工，尺寸精度和形位公差精度高，加工難度大。

2.2" 工藝制定

針對該零件的結(jié)構(gòu)特點，采用 CAD/CAM技術(shù)對其進行加工方案設(shè)計。

1）尤其是零件懸空的特性，加工時受到毛坯的內(nèi)應(yīng)力、刀具的切削力及夾具的夾緊力等多方面的因素影響，零件加工過程中剛性會降低，從而導致零件尺寸產(chǎn)生變形。如何高效而又穩(wěn)定地去除余料，對工藝的要求尤為重要。所以采用雙面開粗法加工，在去除掉大部分余料后，需去除零件的內(nèi)應(yīng)力，再進行A、B兩面的精加工以保證零件的尺寸要求，最后再進行側(cè)面的粗、精加工。

2）結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特征分析，A面粗加工完成后，再對B面進行粗加工，無法使用平口鉗正常裝夾。所以在A面加工時需增加工藝臺，如圖2所示。在方便對B面進行粗加工的同時，提高零件的剛性。B面精加工完成后，工藝臺在對A面進行精加工時再進行去除。

3）去除內(nèi)應(yīng)力需要對粗加工后的零件進行靜置處理。由于加工時間限制，所以這種方法不適用于在競賽過程中使用?？梢酝ㄟ^用橡膠錘敲打零件或者將零件在木質(zhì)踏板上進行摔打的方式處理，同樣可以達到預(yù)期效果。

基于上述分析，采用 MasterCAM軟件來對該零件進行數(shù)控加工編程。

3" 程序編制

首先，在零件的加工過程中，采用 MasterCAM軟件對其進行編程。首先對其零件的加工順序進行確定，然后采用 MasterCAM軟件對其進行建模、程序編制，最后對其程序進行仿真驗證。

在數(shù)控加工中，對零件的加工順序確定后，首先要進行編程設(shè)計，然后才能在數(shù)控機床上完成零件的加工。在編制程序的過程中，應(yīng)根據(jù)零件的形狀、精度等來選擇合適的編程方式，然后使用 MasterCAM軟件來編制程序。MasterCAM軟件的動態(tài)加工策略是一種充分發(fā)揮刀具側(cè)刃和底刃的切削優(yōu)勢，以達到高效切削目的加工策略[3]。在編程時，應(yīng)合理規(guī)劃好刀具的運動軌跡、路徑等內(nèi)容。另外，還應(yīng)避免程序出現(xiàn)重復(fù)或交叉現(xiàn)象，以免影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

本例中主要采用模型動態(tài)粗切和高速銑削法來進行零件加工，需先進行毛坯切削處理和銑削工藝過程的設(shè)計，然后根據(jù)工藝過程中確定的參數(shù)、刀具等內(nèi)容進行切削參數(shù)的選擇和設(shè)置。

本文將重點講解“優(yōu)化動態(tài)粗切”指令的操作步驟。

第一步，點擊刀路列表，選擇3D模塊中“優(yōu)化動態(tài)粗切”指令。

第二步，進入程序編輯界面，點擊左側(cè)模型圖形，選擇所加工的圖形，避邊余量設(shè)置為0.2 mm，選擇“預(yù)留工藝臺”作為避讓圖形。

第三步，點擊左側(cè)刀路控制界面，選擇毛坯輪廓作為邊界串聯(lián)，策略為開放，補正到中心。

第四步，在刀具欄中創(chuàng)建直徑為10 mm的立銑刀，設(shè)定相應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速（S），以及進給倍率（F）和下刀倍率（F）。

第五步，切削參數(shù)設(shè)置如圖3所示。

第六步，點擊左側(cè)陡斜/淺灘，正確設(shè)定零件Z軸加工深度，最高位置為工件Z軸零點，根據(jù)圖紙要求最低位置設(shè)置為-20 mm。

第七步，設(shè)置圓弧過濾公差，切削公差和線/圓弧公差各設(shè)置為50%。

第八步，設(shè)置好上述參數(shù)后，點擊程序?qū)υ捒蛳路降? "，生成加工程序如圖4所示。

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特征，將零件按照指定的編程方式進行處理，生成后續(xù)加工程序，然后確定刀具的運動軌跡和路徑等內(nèi)容。

4" 數(shù)控加工工藝參數(shù)的選擇

根據(jù)零件的具體情況，首先考慮加工工藝的可行性，其次考慮加工效率和零件質(zhì)量。在數(shù)控銑加工過程中，決定數(shù)控加工工藝參數(shù)的主要因素有：刀具類型、刀具路徑、切削速度、進給速度和刀路軌跡。

4.1" 刀具類型

在本加工案例中，使用到的刀具有各種規(guī)格的立銑刀、面銑刀、麻花鉆、倒角刀、球刀、螺紋刀、鉸刀和鏜刀。為了保證零件的質(zhì)量和提高加工效率，粗、精加工選用的刀具為硬質(zhì)合金立銑刀，這種類型的刀具在數(shù)控銑加工中應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)零件的具體情況和所用刀具選擇合理的切削用量和刀路軌跡，在保證加工質(zhì)量的前提下提高效率。

4.2" 切削速度

一般情況下，在進行數(shù)控銑加工時，應(yīng)將切削速度控制在合適范圍內(nèi)。由于本零件表面粗糙度要求比較高，部分表面甚至要求達到Ra0.8。需要保證零件表面粗糙度的要求，因此在進行精加工銑削時，應(yīng)盡量降低切削速度。本案例中，精加工時最大切削速度控制在800 mm/min以下。

4.3" 進給速度

對于進給量較大的零件，進給速度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。根據(jù)本零件的具體情況和所用刀具選擇合理的進給速度。

4.4" 刀具路徑

對刀具路徑的線路設(shè)置，首先要保證加工零件的質(zhì)量和精度，以及與外部粗糙度相符合，進行優(yōu)化處理后，可以減少走刀的時間，提高走刀的效率，減少走空刀的概率[4]。根據(jù)本案例，對刀具路徑進行優(yōu)化處理后可以使銑削加工效率提高30%以上，表面質(zhì)量提高10%左右。

4.5" 刀路軌跡

由于該零件是立銑刀類型，因此要保證刀具軌跡合理、路線簡單。

加工操作順序和刀具規(guī)格見表1。

5" 編程仿真及后處理

MasterCAM也可以提前根據(jù)指定的數(shù)據(jù)、機床的轉(zhuǎn)速，計算出模型的加工時間。MasterCAM軟件在數(shù)控銑加工仿真的過程中可以顯示刀具的路徑，還可以檢查數(shù)控仿真過程中的各種碰撞與干涉的問題[5]。如果在仿真過程中，出現(xiàn)刀具軌跡干涉或者刀具過切現(xiàn)象，可以通過對刀具路徑進行優(yōu)化或者增加刀軌的方法解決，模擬加工結(jié)果如圖5所示。

最后將編寫的程序加工路徑，通過MasterCAM軟件的后置處理功能轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床可識別的代碼程序。根據(jù)數(shù)控機床系統(tǒng)、廠家的不同，可使用存儲卡、RS232數(shù)據(jù)傳輸線、網(wǎng)線等多種方式將零件加工程序傳輸?shù)綑C床進行實際加工，以下為部分數(shù)控代碼。

%

O0001

G21

G0 G17 G40 G49 G80 G90

G0 G90 G54 X-24.06 Y-11.774 S5000 M3

G43 H1 Z50.

Z3.

G1 Z-18.78 F5000.

X-23.993 Y-10.502 Z-18.922 F2000.

G3 X-23.99 Y-10.384 Z-18.935 I-2.247 J.118

......

X-18.236 Y18.49 I18.54 J-18.185

G3 X-17.712 Y19.293 Z-18.922 I-1.58 J1.602

G1 X-17.26 Y20.484 Z-18.78

G0 Z50.

M5

G91 G28 Z0.

G28 Y0.

M30

%

零件加工效果如圖6所示。

6" 結(jié)束語

數(shù)控加工是制造技術(shù)的主要手段，在生產(chǎn)過程中應(yīng)用較為廣泛。本文主要針對某技能競賽零件，對其進行工藝分析和編程設(shè)計。通過對該零件的加工方案進行分析，并根據(jù)其加工需求，制定合理的加工方案。然后在 MasterCAM軟件中選擇合適的加工參數(shù)，實現(xiàn)該零件的數(shù)控加工?？傊?，數(shù)控銑削是加工技術(shù)中的重要手段，通過對其進行工藝分析和編程設(shè)計，能有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在實際工作中，應(yīng)對加工方案進行分析和選擇，通過對加工參數(shù)進行合理選擇，并嚴格按照相關(guān)規(guī)定進行操作和管理，這樣才能有效提高零件的生產(chǎn)效率，并保證產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

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[4] 周少良.試分析數(shù)控銑加工工藝參數(shù)的合理選擇[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2020（10）：91-92，132.

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第一作者簡介：梁志曉（1999-），男，工程師。研究方向為數(shù)控技術(shù)、智能制造裝備技術(shù)等。