數(shù)控實(shí)訓(xùn)中典型零件的不同編程方式及其仿真加工分析

引言

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟使用，我國(guó)在機(jī)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(yùn)而生，其高度自動(dòng)化、集成化、智能化，使用簡(jiǎn)單的數(shù)控編程軟件進(jìn)行編程，即可對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)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(guó)內(nèi)大部分高校不可或缺的一門(mén)實(shí)訓(xùn)課程[1-2]。

目前，高校的數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)經(jīng)常使用的是軟件自動(dòng)編程，然后將程序?qū)霗C(jī)床內(nèi)部進(jìn)行識(shí)別、讀取、運(yùn)行、加工等一系列操作。自動(dòng)編程的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快捷，尤其是對(duì)于復(fù)雜形狀的零件，很大程度上節(jié)省了手動(dòng)編程時(shí)間，降低了編程難度；缺點(diǎn)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(shí)，而且編程時(shí)容易出現(xiàn)空走刀現(xiàn)象，總體來(lái)講不適合形狀過(guò)于簡(jiǎn)單的零件加工。手動(dòng)編程此時(shí)就派上了用場(chǎng)，手動(dòng)編程普遍用于加工形狀簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)體零件以及部分銑床類零件，但對(duì)于非一般圓弧曲線類零件則不適用[3]。手動(dòng)編程的優(yōu)點(diǎn)是方便、簡(jiǎn)單，可以省去前期的建模時(shí)間，并且?guī)缀醪粫?huì)出現(xiàn)空走刀現(xiàn)象，很好地優(yōu)化了加工路線；缺點(diǎn)是編程人員需要非常豐富的機(jī)床加工經(jīng)驗(yàn)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(duì)于剛?cè)胄械男率植僮髌饋?lái)還是很有難度的。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(duì)于高校數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)，以數(shù)控編程為主，手動(dòng)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(shí)際加工的要求。

本文以實(shí)訓(xùn)中一個(gè)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(dòng)編程軟件進(jìn)行編程，并使用斯沃仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真加工，為以后高校數(shù)控技術(shù)實(shí)訓(xùn)提供了一定的參考。

1零件加工工藝分析

圖1是常見(jiàn)的典型回轉(zhuǎn)體零件圖。

分析零件圖可得，該零件總長(zhǎng)度為52 mm，偏差士0.05mm。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(zhǎng)度05 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(pán)裝夾，外露長(zhǎng)度為65 mm，因?yàn)榱慵傮w長(zhǎng)度較短，所以加工時(shí)不考慮毛坯跳動(dòng)問(wèn)題，另一端不采用頂尖裝夾。考慮到加工精度，采用一次裝夾即一次加工整個(gè)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(diǎn)為工件坐標(biāo)系。詳細(xì)加工過(guò)程如表1所示。

2自動(dòng)編程

本次自動(dòng)編程采用CAXA200軟件進(jìn)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(shí)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(huà)出零件的一半模型并組成封閉區(qū)域，如圖2所示。

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180O，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0O和60O，拐角過(guò)渡方式選擇圓弧過(guò)渡，刀尖半徑補(bǔ)償選擇編程時(shí)考慮，加工方式選擇行切方式。

（2）進(jìn)退刀方式：每行相對(duì)毛坯進(jìn)刀方式選擇垂直進(jìn)刀，每行相對(duì)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?qǐng)D3。

（5）生成加工軌跡：設(shè)定好粗加工參數(shù)后，使用限制鏈?zhǔn)叭』蛘邌蝹€(gè)拾取的方式得到零件外輪廓，并選擇合適的進(jìn)退刀點(diǎn)，生成加工軌跡，如圖4所示。

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(duì)應(yīng)的機(jī)床系統(tǒng)FANUC，然后拾取刀具軌跡，即可生成相對(duì)應(yīng)的G代碼。代碼部分截圖如圖5所示。

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0O和60O，拐角過(guò)渡方式選擇圓弧過(guò)渡，刀尖半徑補(bǔ)償選擇編程時(shí)考慮。

（2）進(jìn)退刀方式：每行相對(duì)毛坯進(jìn)刀方式選擇垂直進(jìn)刀，每行相對(duì)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?qǐng)D3。

（5）生成加工軌跡：設(shè)定好精加工參數(shù)后，使用限制鏈?zhǔn)叭』蛘邌蝹€(gè)拾取的方式得到零件外輪廓，并選擇合適的進(jìn)退刀點(diǎn)，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(shí)應(yīng)選擇拾取精加工刀具軌跡。代碼部分截圖如圖6所示。

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(jì)算得到1.299 mm，螺紋長(zhǎng)度在拾取加工兩點(diǎn)后自動(dòng)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(jìn)退刀方式：粗、精加工均選擇垂直進(jìn)退刀。（4）切削用量：詳見(jiàn)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(guò)計(jì)算可知，刀刃長(zhǎng)度1.29 mm、刀尖寬度0.15 mm、刀具角度60o。

（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(diǎn)和右端點(diǎn)，然后選擇合適進(jìn)退刀點(diǎn)，即可生成刀具軌跡，如圖7所示。

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(hào)，拾取加工軌跡，即可生成G代碼。部分截圖如圖8所示。

2.4車斷

車斷的詳細(xì)參數(shù)參考表1。

3手動(dòng)編程

手動(dòng)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(dòng)編程的優(yōu)缺點(diǎn)，本文中的零件屬于小型簡(jiǎn)單零件，可以用手動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)加工[4]。

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

刀具選擇：粗車和精車毛坯外輪廓均采用T01（35O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(dòng)編程代碼如表2所示。

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(guó)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(jī)床，可通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)數(shù)控機(jī)床的加工過(guò)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(duì)比分析兩種編程方式達(dá)到的加工效果，本文將自動(dòng)編程和手動(dòng)編程的程序分別導(dǎo)入斯沃仿真軟件進(jìn)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(dòng)編程仿真加工最終效果圖，圖10為手動(dòng)編程仿真加工效果圖。

對(duì)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(duì)自動(dòng)編程和手動(dòng)編程的仿真結(jié)果進(jìn)行提取分析。由圖9、圖10的圖（a）可知，無(wú)論是自動(dòng)編程還是手動(dòng)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(duì)比分析圖（b）可知，在仿真加工中，進(jìn)給倍率是100%，單次運(yùn)行的情況下，自動(dòng)編程運(yùn)行時(shí)間為44 s，手動(dòng)編程運(yùn)行時(shí)間為19 s，是前者時(shí)長(zhǎng)的一半不到；通過(guò)對(duì)比圖（c）可得，自動(dòng)編程的粗糙度比手動(dòng)編程略大，但是由于仿真軟件的精準(zhǔn)性，此數(shù)據(jù)只是參考，不能作為實(shí)際加工數(shù)據(jù)使用；對(duì)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(dòng)編程運(yùn)行時(shí)間比手動(dòng)編程運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)；且相同進(jìn)給倍率下自動(dòng)編程粗糙度比手動(dòng)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)。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于特殊曲面較多的復(fù)雜性零件，采用自動(dòng)編程較為快捷方便；對(duì)于普通、簡(jiǎn)單的零件，采用手動(dòng)編程較為快捷、省時(shí)，但對(duì)操作人員的編程經(jīng)驗(yàn)要求較高。