硅谷杂志：基于Mastercam典型零件的加工工艺改进 |
| 2012-12-13 14:38 作者：伍世棋 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，通过MasterCAM软件对典型零件进行数控加工编程，提出如何改进加工工艺、提高加工效率的问题，同时保证零件的加工精度，实现高效优质的数控加工。
0引言
在数控加工中，有些零件的外形结构简单，然而在数控加工编程中要想提高其加工效率也非易事，这必需在常规的工艺分析中，不断地进行改进工艺，将保证零件的加工精度和表面粗糙度要求放在首位，力求使编程所得的加工路线构成简单，而且行程最短，减少空行程时间，真正提高加工效率。本文以一个典型零件的数控铣削加工的实例来讲解如何改进加工工艺。
1典型零件分析
由图2-1、2-2分析可知，该零件主要加工的结构有：135mm×85mm×20mm的凸台外形、左边深为2mm弧形槽，大径Ф52mm小径Ф32mm的环形槽，中间为SR16mm的球面和Ф16mm的通孔，对称的两个开放槽均带Ф8mm的通孔，左边为R10的1/4圆弧面，右边为30°斜面等等。加工材料为铝合金，毛坯尺寸大小为140mm×90mm×35mm，使用的设备为山东鲁南数铣床XK7145A，要求干切削且加工时间为2个小时。加工零件的技术要求：加工区域表面粗糙度Ra3.2，工件表面无缺陷。
2数控加工工艺
常规刀具路径如下：
1）选用Ф8mm的平底立铣刀对工件整体进行曲面挖槽粗加工，粗加工方式选择[螺旋式下刀]和[由切削范围外下刀]复合型下刀方式，挖槽方式选择[双向切削]，整体留0.2mm余量。
2）选用Ф8mm的平底立铣刀对对称的两个开放槽、环形槽、工件其他开放槽区域进行2D挖槽精加工，[工件表面]、[深度]设置数值一致，限制到最终深度，选用[螺旋下刀]方式，留0mm余量。
3）选用Ф8mm的平底立铣刀对工件135mm×85mm的凸台外形轮廓和Ф16的通孔进行外形铣削精加工，留0mm余量。
4）选用Ф6mm的平底立铣刀对R128处弧形槽、Ф8通孔进行曲面挖槽粗加工，粗加工方式选择[螺旋式下刀]和[由切削范围外下刀]复合型下刀方式，挖槽方式选择[双向切削]留0.2mm余量。
5）选用Ф6mm的球头铣刀对工件30°斜面、1/4圆弧面进行曲面平行铣削精加工，平行铣削精加工参数选择[最大切削间隙]0.2mm，[加工角度]0°，留0mm余量。
6）选用Ф6mm的球头铣刀采对SR16球面进行曲面等高外形精加工，等高外形精加工参数选择[Z轴最大进给量]为0.2mm，留0mm余量。
7）选用Ф6mm的球头铣刀对弧形槽进行曲面流线型精加工，曲面流线精加工参数选择[截断方向的控制距离]为0.2mm，留0mm余量。
根据以上加工工艺加工出来的零件效果并不尽人意，工件表面有缺陷，主要还是产生空刀比较多，造成加工时间不足，有时还会出现Ф6mm球刀因吃刀量过大而断刀的现象。
3分析问题及改进加工工艺的方法
3.1分析问题
从图2-1可知，该零件曲面比较多，而且涉及到斜面、球面、圆弧面等曲面的加工，需要多次更换刀具，加工量相对比较大，故而合理编制加工工艺，提高加工效率是关键。以上常规的加工工艺编程方法都是学生最常编制的刀具路径。在曲面挖槽粗加工中，由于切削范围过大产生的空刀现象严重，这是超时的主要原因所在，故合理选用挖槽方式也可以减少很多刀具路径。在精加工开放槽时，使用2D挖槽的方式加工过后下刀位置有凹凸的手感，且刀纹混乱，显示的刀具路径偏长。球头铣刀在加工SR16mm球面时出现明显的停顿现象，加工速度提不上去，由于进给速度的突然变化，造成了加工刀痕明显，零件尺寸与表面质量欠佳。在加工弧形槽时流线加工出来的表面光洁度虽高，可加工速度值也不能达到所给的参数值。
综合整个加工过程，常规的加工工艺编程安排中3、4、5步没有问题而不理想的加工工艺主要存在于第1、2和6、7步中，也就是在曲面挖槽粗加工、2D挖槽、球面和弧形曲面精加工时出现了问题，因此需针对这几步的加工工艺进行改进。
3.2改进加工工艺
3.2.1曲面挖槽粗加工改进
曲面挖槽粗加工时选择的切削范围不同，生成的刀具路径不同，导致加工时间也不同。大部分学生在会任意绘制一个比工件大的矩形线框来作为切削范围，如果范围设定过大就会产生很多空刀，如图4-1所示。但要是范围设定过小则某些外形加工不到。加工范围的选定直接决定了加工的效率。
切削范围是根据工件需加工的外形尺寸、加工刀具的直径以及粗加工的预留量确定的。以本零件为例，默认刀具的切削范围中【刀具位置】为[中]，凸台外形尺寸是135mm×85mm，刀具尺寸是Ф8mm、粗加工的单边预留量为0.2mm。那么切削范围的长为：135mm+8mm+0.4mm+Xmm，宽为：85mm+8mm+0.4mm+Xmm（X＞0mm且X≈0mm）。在基础尺寸上加上X，表示大于临界尺寸才可以加工到135mm×85mm的外形面，修改切削范围后的刀具路径如图4-2所示，减少了很多空刀。
另外，在曲面挖槽粗加工方式中，如果选择[双向铣削]的加工方式就得选择[精修外轮廓]，不然就产生很多岛屿，精加工余量严重不均匀。但如果选择[等距环切]的加工方式可以不精修外轮廓，并能达到[双向铣削]和[精修外轮廓]复选的效果，，而且加工同一区域等距环切会比双向铣削节省很多时间，选择双向铣削同时精修外轮廓的加工时间是38分13秒，而选择等距环切的加工时间仅是23分6秒。
3.2.2巧用外形铣削加工
使用2D挖槽加工两个对称的开放槽，如图4-3所示，红色线表示切削范围，隐藏线表示工件范围，下刀点出现在工件内部，而[工件表面]、[深度]设置数值一致，导致螺旋下刀失败，垂直下刀很容易磨损刀具底部刀刃，进而影响后续的每个槽的底面精加工精度，所以不推荐使用。假如[工件表面]设得稍高一点，有一小段垂直高度的距离进行螺旋下刀，这是允许的，但是还是考虑尽可能在工件的外围下刀，这样不但可以保护刀具，确保加工底面的精度，也减少了螺旋下刀的时间，所以我们改选用外形铣削加工方式，在该方式中，学生误认为必须选取封闭的线框来作为串连，其实我们为了使刀具在工件外围下刀，我们可以选择不封闭线框，在选择线框前点击mastercam左侧子菜单的[单体]命令，再选择不封闭的红色串连线，并注意箭头方向逆时钟为顺铣，由于一刀加工不完开放槽，在外形铣削参数选上[平面多次铣削]，提高粗铣次数和间距值，为了使刀具确保从工件外围切进去，还可以修改[进/退刀向量]，增加切入直线长度，设置完的下刀点如图4-4所示。
3.2.32D扫描加工的优势
等高外形精加工生成的刀具加工轨迹都由简短的曲线与曲线构成，使加工工艺变得复杂起来，导致程序生成的节点自然就变多，机床在加工的时候走到曲线间的节点时，都有一明显的停顿，加工速度提不上去。加工出来的球面上部分的光洁度明显比不过下部分，这是由于竖直方向等距的加工工艺投影到曲面后间距发生改变，并且斜度越小的地方间距越大，出现表面质量不均。等高外形比较适合倾斜度较大且的规则曲面，其加工程序量比较大，同时计算量大和较长的计算时间，对于曲面较大的零件往往会出现计算量过大而产生刀具路线生成失败。其实SR16mm球面可以看成是由两段圆弧曲线相互扫描组成的，在对曲面精加工时可以采用2D扫描加工进行精加工，生成2D扫描加工刀具路径的方法与绘制一个截面外形、一个引导路径的扫描曲面方法基本相同。2D扫描编程简单、计算量少、生成的程序量较小，比较合适回转型的曲面加工，其加工工艺间距均匀，加工效率高。选取[截断方向间距]为0.2mm，计算显示2D扫描加工工艺间距均匀，效果远好于等高外形加工。
3.2.4平行铣削与流线加工的对比
流线精加工出来的弧形槽的表面质量十分佳，但由于计算方向的曲线曲率大，拟合直线的衔接节点多，导致加工效率低。曲面流线精加工可以精确控制工件的加工残脊高度，可以产生一精确、平滑的刀具路径，这种加工方法建议应用于纹路相同的多个相邻且曲线曲率小的曲面加工。而平行铣削精加工方法是生成一组成一定加工角度的互相平行的刀具路径，计算速度快，用于工件曲面过渡比较平缓的情况，根据零件特征综合考虑，弧形槽选择平行铣削精加工比较省时方便，平行铣削精加工参数选择[最大切削间隙]0.2mm，[加工角度]0°，所走圆弧曲率小，速度快，加工质量虽然比不上流线精加工，但表面质量可以达到Ra3.2，加工时间也降低下来了。
4结束语
每个零件的加工，我们都得探索出最好的加工工艺，以便提高效率，给企业带来更好的效益。零件的高效优质的加工需要合理加工工艺，在编写加工工艺和走加工工艺线时需要灵活应用而不能照搬书本，根据零件的具体结构，采取不同的工艺措施及参数优化等方法提高加工速度和减小编程的计算量，同时在日常生活中要不断总结经验和学习，不断提升自己。
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