盧志偉，曹 巖

(西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安 710032)

0 引言

隨著自動化、高速機械的快速發(fā)展，各種空間凸輪機構(gòu)被廣泛的應用在機械設備的各種領域，通過凸輪的空間曲線輪廓將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為從動件的復雜運動，來滿足各種場合的不同要求。機械設備中使用的凸輪機構(gòu)中既有平面凸輪機構(gòu)，又有空間凸輪機構(gòu)，其中空間凸輪機構(gòu)中的關鍵零件空間凸輪加工一直是機械加工的難點，周期長，加工精度低，對操作工人的技術水平要求高［1］。圓柱凸輪是自動控制機構(gòu)廣泛應用的重要機械元件，圓柱凸輪屬空間凸輪，基于圓柱凸輪在加工原理方面的特殊要求，加工圓柱凸輪的數(shù)控機床必須是帶有回轉(zhuǎn)工作臺的機床［2］。圓柱凸輪機構(gòu)與平面凸輪機構(gòu)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、運轉(zhuǎn)可靠、傳動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，因而在自動機械中被廣泛應用。

隨著計算機技術與數(shù)控技術的發(fā)展，圓柱凸輪的加工正日漸普遍地采用計算機輔助設計與制造，它能有效地提高設計與加工的速度及質(zhì)量。但由于專業(yè)凸輪CAD/CAM 編程軟件價格昂貴，所以國內(nèi)圓柱凸輪的編程主要采用手工編寫，這無疑影響了凸輪的加工效率及加工質(zhì)量。Mastercam X6 軟件是當前最流行的CAD/CAM 軟件之一，其集二維建模、三維建模、刀具路徑模擬與仿真、NC 后處理等功能于一體，不僅可以完成產(chǎn)品的設計、模擬仿真加工、顯示走刀路徑及生成NC 程序，而且還可以及時修改不合理或錯誤走刀，避免因錯誤走刀軌跡給零件的實際加工帶來材料浪費，加快機床上的編程和減少程序的空運行時間問題［3-4］。本文研究的數(shù)控加工的圓柱凸輪形狀和尺寸如圖1 所示。

1 圓柱凸輪的數(shù)控加工工藝分析

1.1 加工任務要求

圖1 所示是一個待加工的圓柱凸輪零件，圓柱凸輪的槽寬為10 ±0.02mm，槽深10mm，凸輪槽在φ100mm 圓柱面上的展開圖如圖2 所示。其中，x =226.661－0.872t，y =80(cos(0.7854－r)+1)，r =0.28(3t－sin(3t))，t 在0 ～360°之間變化。

圖1 圓柱凸輪的模型尺寸

圖2 圓柱凸輪槽在φ100 圓柱面上的展開圖

1.2 工藝方案

根據(jù)圓柱凸輪的加工要求，其加工工藝方案規(guī)劃如表1 所示。

表1 圓柱凸輪的加工工藝方案

2 圓柱凸輪加工模型構(gòu)建

在Mastercam X6 軟件中編制加工程序時，首先要進行被加工零件的CAD 造型，針對上述所要加工的圓柱凸輪槽，需要按照如圖2 所示的尺寸要求，構(gòu)建凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開曲線。

其展開圖形的具體構(gòu)建操作步驟為:進入Mastercam X6 系統(tǒng)，按照圖2 所示的尺寸要求，繪制凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開曲線，關鍵是創(chuàng)建圖2 所示的公式曲線ab、a'b'。首先選擇菜單欄中的“設置”→“運行應用程序”命令，系統(tǒng)彈出“打開”對話框，選擇該系統(tǒng)默認路徑“chooks”下的“fplot.dll”文件;然后單擊按鈕，彈出“打開”對話框，選擇“凸輪.EQN”文件，在“打開”對話框中，鼠標右鍵單擊“凸輪. EQN”文件并在彈出的快捷菜單中選擇“打開方式”為“記事本”打開方式，在“凸輪.EQN—記事本”的窗口中分別設定以下與曲線ab 相關的參數(shù):

(1)step_var1 =t * 自變量t。

(2)step_size1 =0.1 * 自變量t 的步距。

(3)lower_limit1 =160 * 自變量t 的最小值。

(4)upper_limit1 =215 * 自變量t 的最大值。

(5)geometry=nurbs * 生成NURBS 曲線。

(6)angles=degrees * 自變量t 的角度單位為度。

(7)origin=0，0，0 * 曲線的起點。

(8)r=0.28* (3* t－sin(3* t))* 中間變量。

(9)y=80* (cos(0.7854－r)+1)* 變量y 值。

(10)x=226.661－0.872* t * 變量x 值。

其次關閉“凸輪. EQN—記事本”窗口后，在“打開”對話框中選擇“凸輪. EQN”文件，單擊按鈕，此時系統(tǒng)彈出如圖3a 所示的“FPlot”對話框，單擊“Set Variables”(參數(shù)設置)按鈕后接著彈出“變數(shù)”對話框，可以在該對話框中修改對應的變量參數(shù)。在“FPlot”對話框中，單擊“Origin”按鈕選擇視圖原點為繪圖原點，再單擊“Plot it”按鈕，生成如圖2所示的公式曲線ab。

圖3 “FPlot”對話框和“變數(shù)”對話框

最后通過兩次“鏡像”，即可生成如圖4 所示的凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開曲線。

圖4 凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開曲線

3 圓柱凸輪的數(shù)控加工仿真

3.1 刀具、工件材料的設定

選擇主菜單欄中“機床類型”→“銑削”→“默認”命令，建立銑削加工組;選擇“刀具路徑”→“刀具管理器”命令，顯示“刀具管理器”對話框，按工藝方案表1 設置刀具;選擇“刀具路徑”→“材料管理器”菜單命令，選擇工件材料為“STEEL mm—303 STAINLESS”。

3.2 刀具路徑軌跡規(guī)劃

在本文中重點研究在Mastercam X6 中如何創(chuàng)建圓柱凸輪槽加工工序30.01 ～30.06 的刀具路徑軌跡規(guī)劃。

(1)工序30.01 運用鉆孔操作即可創(chuàng)建點鉆入刀孔的刀位軌跡，選擇主菜單欄中的“刀具路徑”→“鉆孔”命令，選擇φ5mm 中心鉆;在“旋轉(zhuǎn)軸控制”選項中，分別選中“替換軸”、“替換X 軸”和“順時針”單選鈕，在“旋轉(zhuǎn)軸的直徑”文本框中輸入100mm(即在φ100mm 圓柱上包覆);在“共同參數(shù)”選項中，設置工件表面為0mm，深度為5.5mm。

(2)工序30.02 通過復制工序30.01 點孔的操作來創(chuàng)建鉆入刀孔的刀位軌跡，設置刀具為φ9mm鉆頭，“共同參數(shù)”選項設定工件表面為:2mm，加工深度為:－10mm 等相關選項。

(3)工序30.03 運用輪廓銑削加工操作，來創(chuàng)建凸輪槽粗加工的刀位軌跡，選擇主菜單欄中的“刀具路徑”→“外形銑削”命令;刀具選擇φ8 平底刀，在“旋轉(zhuǎn)軸控制”選項中分別選中“替換軸”、“替換X軸”和“順時針”單選鈕，在“旋轉(zhuǎn)軸的直徑”文本框中輸入100mm;在“共同參數(shù)”選項中分別設定安全高度為25、參考高度為20mm、下刀位置為10mm、加工深度為—10mm 等。

(4)工序30.04、30.05 和30.06 通過復制工序30.03 輪廓銑削加工的操作來創(chuàng)建30.04、30.05 和30.06 的立銑刀凸輪槽的刀位軌跡，分別修改刀具為φ9mm、φ9.8mm 和φ10mm 平底刀，其他參數(shù)設置保持不變。最終生成的圓柱凸輪槽的刀具路徑軌跡如圖5 所示。

圖5 圓柱凸輪槽的刀具路徑軌跡

3.3 加工仿真

Mastercam X6 軟件中集成了“加工仿真”模塊，在NC(數(shù)控)后置處理生成NC(數(shù)控)代碼之前進行刀位軌跡的加工仿真，以便檢查加工中出現(xiàn)的刀具與工件、夾具之間的碰撞、干涉和過切等現(xiàn)象。在“刀具路徑”選項中，選擇所要進行加工仿真的操作后，單擊“加工仿真所選擇的操作”按鈕，進入“加工仿真”對話框;單擊按鈕，顯示“加工仿真設置”對話框，選中“圓柱”單選鈕，分別設定加工零件的毛坯形狀為圓柱、直徑為100mm、圓柱軸沿Y 方向、Y方向尺寸為－20mm ～100mm 等參數(shù);單擊(開始)按鈕，進行加工仿真，仿真切削加工過程如圖6所示，其中a 為點鉆開始加工，b 為立銑刀粗加工進行中，c 為立銑刀精加工結(jié)束;若發(fā)現(xiàn)問題，可以及時修正，單擊“加工仿真”對話框中的按鈕，結(jié)束加工仿真操作，完成切削校驗過程。這樣就很好的解決空間凸輪加工的難題，充分體現(xiàn)了CAD/CAM 軟件在數(shù)控加工中的重要作用。

圖6 加工仿真切削校驗過程

4 NC 后置處理分析

通過刀具路徑的合理設置分別生成了圖5 的刀具軌跡和圖6 的實體加工仿真，確定其是否符合圓柱凸輪數(shù)控加工要求;然后進行數(shù)控加工的后置處理。NC 后置處理技術是數(shù)控加工編程中的關鍵技術之一，Mastercam X6 系統(tǒng)提供了后置處理模塊，可針對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)生成所需的NC 程序。本文運用MasterCAM X6 的4 軸加工對圓柱凸輪零件進行了的數(shù)控銑削編程加工，相對于圓柱凸輪零件運用手工編程或少于四軸的編程軟件，特別是針對這種具有空間曲線零件需要人工進行復雜計算填補其中一些相關數(shù)據(jù)，這樣不僅非常浪費編程人員的時間而且還不能保證編程的正確性。本文運用Mastercam X6 系統(tǒng)的四軸加工能夠很好地而且非常有效率的解決以上問題，單擊“后置處理”按鈕即可生成NC 程序如P0101 程序所示。

5 結(jié)論

本文通過對圓柱凸輪加工要求進行分析，對其工藝分析加工方案進行了規(guī)劃，采用MasterCAM X6軟件建立圓柱凸輪槽中心軌跡的幾何模型，對其刀具路徑進行了規(guī)劃，最后對規(guī)劃進行了數(shù)控加工仿真，并迅速生成NC 代碼。這樣不僅縮短編程人員的編程時間，特別對復雜零件的數(shù)控程序編制，可大大提高程序的正確性和安全性;而且解決了空間凸輪加工的難題，充分體現(xiàn)了CAD/CAM 軟件在數(shù)控加工中的重要作用，提高了零件的加工效率，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本可以不斷提升企業(yè)的工藝能力，為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。

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