，楊小平，孫 偉，孫步功

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國實(shí)施改革開放政策四十多年來，正逐步躋身于世界制造大國和世界創(chuàng)新大國之列，工業(yè)是一個(gè)國家的命脈，而機(jī)械制造業(yè)則是工業(yè)中的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。在機(jī)械制造業(yè)當(dāng)中我國許多企業(yè)引進(jìn)了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心和機(jī)器人技術(shù)等，尤其是在東南沿海地帶，這些地區(qū)集中了我國大部分汽車制造企業(yè)、模具制造企業(yè)和大型裝備制造企業(yè)等。然而，數(shù)控技術(shù)人才稀缺，造成這一問題的原因一方面由于高校在培養(yǎng)人才時(shí)限制于硬件設(shè)施條件不足，學(xué)生不能在實(shí)際操作中去領(lǐng)會(huì)和鉆研；另一方面則是高校和企業(yè)培訓(xùn)數(shù)控技術(shù)人才的成本代價(jià)非常大，數(shù)控設(shè)備上百萬的價(jià)格難以承受。工程師都會(huì)先檢查零件的加工程序是否正確，而在大部分國內(nèi)工廠中通過試切工件，來檢查程序的正確與否。工人在試切時(shí)可能會(huì)發(fā)生撞刀、飛濺等危險(xiǎn)，輕則會(huì)損壞機(jī)床和刀具，嚴(yán)重則危及操作人員的生命。

鑒于此，我國機(jī)械制造業(yè)迫切需要一個(gè)高效快捷而又低成本的方法去解決以上問題，而數(shù)控仿真模擬技術(shù)正是完美解決這些問題的一個(gè)好辦法。目前，各大高校機(jī)械類相關(guān)專業(yè)普遍都存在學(xué)生多而數(shù)控機(jī)床少等問題，研究學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床仿真模擬勢在必行。通過數(shù)控仿真軟件每一位同學(xué)都可以學(xué)習(xí)操作機(jī)床，還可以驗(yàn)證自己所編的程序。并且現(xiàn)在許多機(jī)械加工企業(yè)為了減輕數(shù)控程序驗(yàn)證的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步地減少事故、提升生產(chǎn)效率，也在應(yīng)用數(shù)控仿真去輔助生產(chǎn)。

本文使用典型的華中數(shù)控車削系統(tǒng)仿真加工典型軸類零件，深入學(xué)習(xí)數(shù)控車床加工的方法和步驟，掌握華中數(shù)控車削系統(tǒng)的基本操作原理和操作過程。選用典型軸類零件作為加工對象，學(xué)習(xí)使用三維畫圖軟件對零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和工程圖建立。結(jié)合所學(xué)知識(shí)和參考資料分析典型車削軸類零件的特征和加工特點(diǎn)，根據(jù)所用數(shù)控系統(tǒng)類型和零件材料合理地選擇刀具。結(jié)合參考文獻(xiàn)分析軸類零件的特征、技術(shù)要求和加工工藝，合理編制加工工序卡。學(xué)習(xí)華中數(shù)控系統(tǒng)編寫程序，研究本文的兩個(gè)典型加工零件的數(shù)控程序，然后學(xué)習(xí)使用斯沃?jǐn)?shù)控仿真軟件對加工過程做仿真模擬加以驗(yàn)證。

1 零件的選擇及三維/二維建模

本文選擇典型的數(shù)控車削軸類零件作為加工對象。兩個(gè)零件外部主特征有圓柱體、球體、圓錐體、橢圓體、外圓寬槽、圓弧、倒角、螺紋；內(nèi)部主特征有圓柱孔、內(nèi)圓寬槽、內(nèi)螺紋等，基本可以全面展示數(shù)控車床的加工特點(diǎn)，并使用SOILDWORKS軟件來制作零件的三維模型。典型數(shù)控車零件如圖1所示。

圖1 典型數(shù)控車零件

2 零件的加工工藝與加工路線分析

2.1 零件圖工藝分析

(1)毛坯選擇：零件1毛坯直徑取30 mm，長度55 mm；零件2毛坯直徑取50 mm，長度100 mm，材料選擇45號(hào)鋼。

(2)確定工藝基準(zhǔn)：根據(jù)基準(zhǔn)重合原則，選擇零件左(右)端面與零件軸線的交點(diǎn)作為工件坐標(biāo)系原點(diǎn)。

(3)尺寸分析：軸類零件的加工，首先應(yīng)保證尺寸精度與表面粗糙度，對各表面的位置也有一定的要求，根據(jù)回轉(zhuǎn)體類零件的特點(diǎn)，要保證其徑向尺寸公差、軸向尺寸公差要求和零件總長度尺寸。

2.2 刀具選擇

在選擇數(shù)控車床刀具時(shí)，編程人員必須綜合考慮刀具各方面的性能，如剛度、硬度、韌性、熱硬性、精度、耐用度、排屑方便、更換方便等等，本文零件毛坯為45號(hào)鋼，選擇硬質(zhì)合金類刀具對其進(jìn)行加工。硬質(zhì)合金類刀具具有良好的熱硬性，在切削溫度很高時(shí)依然可以保持良好的切削性能，且切削效率較高。

(1)零件1所用刀具。①外圓車刀(1號(hào)刀)：90°硬質(zhì)合金外圓車刀，刀桿長度90 mm，刀桿寬度15 mm，刀片邊長5 mm，刀片厚度3 mm，刀尖圓弧半徑0.1 mm，35°菱形刀片；②螺紋刀(2號(hào)刀)：刀桿長度80 mm，刀桿寬度10 mm，刀片邊長3 mm，刀片厚度3mm。

(2)零件2所用刀具。①外圓車刀(1號(hào)刀)：93°硬質(zhì)合金外圓車刀，刀桿長度90 mm，刀桿寬度15 mm，刀片邊長5mm，刀片厚度3 mm，刀尖圓弧半徑0.4 mm，55°菱形刀片；②內(nèi)圓車刀(4號(hào)刀)：93°硬質(zhì)合金內(nèi)圓車刀，刀桿長度90 mm，刀桿寬度15 mm，刀片邊長4 mm，刀片厚度3 mm，刀尖圓弧半徑0.4 mm，55°菱形刀片；③外圓寬槽刀(2號(hào)刀)：5 mm寬槽刀，刀桿長度90 mm，刀桿寬度15 mm，刀片邊長12 mm，刀片寬度5 mm，刀尖圓弧半徑0.2 mm；④內(nèi)圓寬槽刀(5號(hào)刀)：4 mm寬內(nèi)孔切刀，刀桿長度80 mm，刀桿寬度10 mm，刀片邊長5 mm，刀片寬度4 mm，刀尖圓弧半徑0.2 mm；⑤麻花鉆(3號(hào)刀)：直徑20 mm，刀桿長度160 mm；⑥內(nèi)螺紋刀(6號(hào)刀)：刀桿長度80 mm，刀桿寬度10 mm，刀片邊長3 mm，刀片厚度3.18 mm。

2.3 加工路線分析

本文兩個(gè)零件的加工順序應(yīng)遵循先加工基準(zhǔn)面，再加工其他表面；先加工表面后加工孔；先粗加工后精加工的工藝順序去安排。

(1)零件1：①加工時(shí)使用自定心三爪卡盤先裝夾毛坯左端，使毛坯右端露出部分長度約為20 mm；②使用外圓車刀對毛坯右端端面、倒角、?20 mm外圓面、1.5C倒角進(jìn)行循環(huán)粗加工，再進(jìn)行精車達(dá)到圖紙要求；③掉頭夾緊加工完的?20 mm外圓面，依次循環(huán)粗加工毛坯左端面、R10 mm球面、?15 mm外圓面、軸肩端面、1.5C倒角和?24 mm外圓面，再半精車達(dá)到圖紙要求；④換螺紋刀加工M24×1.5外螺紋。

(2)零件2：①加工時(shí)使用自定心三爪卡盤先裝夾毛坯左端，使右端露出部分約為60 mm；②使用外圓車刀對毛坯右端半橢圓圓柱面、錐面和?36 mm外圓面、軸肩端面、倒角進(jìn)行循環(huán)粗加工，再進(jìn)行精車達(dá)到圖紙要求；③對橢圓面進(jìn)行粗加工和精加工；④再掉頭夾緊?36 mm外圓面，依次粗加工左端面、倒角、?34 mm外圓面、圓弧、?46 mm外圓面，再精車達(dá)到圖紙要求；⑤使用5 mm寬槽刀加工三個(gè)寬槽；⑥使用麻花鉆鉆孔；⑦使用內(nèi)圓車刀粗車內(nèi)孔，再精車內(nèi)孔達(dá)到圖紙要求；⑧使用4 mm寬槽刀車內(nèi)孔槽；⑨使用內(nèi)螺紋車刀車M24×1.5內(nèi)螺紋。

2.4 切削用量

本文零件加工切削用量的計(jì)算需要參考數(shù)控車削用量推薦表和鉆孔切削用量推薦表，分別見表1、表2。

表1 數(shù)控車削用量推薦表

表2 鉆孔切削用量推薦表

(1)主軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算：根據(jù)數(shù)控車削用量推薦表中選擇的背吃刀量和進(jìn)給量選擇合適的切削速度再按照式(1)計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速：

(1)

式中：n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；vc為切削速度(m/min)；D為工件直徑(mm)。

(2)進(jìn)給速度計(jì)算：進(jìn)給速度是影響零件表面粗糙度和加工效率的重要因素，一般應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下選擇較大進(jìn)給速度，再根據(jù)數(shù)控車削用量推薦表和主軸轉(zhuǎn)速按照式(2)計(jì)算：

vf=nf

(2)

式中：vf為進(jìn)給速度(mm/min)；n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)；f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)。

(3)背吃刀量：所加工零件的粗加工背吃刀量根據(jù)數(shù)控車削用量推薦取2 mm，精加工余量根據(jù)數(shù)控車削用量推薦取0.25 mm，等于精加工背吃刀量。計(jì)算結(jié)果分別見表3、表4。

表3 計(jì)算結(jié)果(1)

表4 計(jì)算結(jié)果(2)

3 關(guān)鍵加工過程

3.1 宏程序編程

加工工件橢圓短半軸的長度為13 mm，長半軸為20 mm，編寫宏程序如下：

%0101；程序號(hào)

T0#0#；刀具號(hào)

M03S800；啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800

G00X28Z2；初始位置

#2=13；橢圓X方向起始點(diǎn)

WHILE#2GE0；當(dāng)#2≥0時(shí)執(zhí)行以下程序

#1=20*SQRT[13*13-#2*#2]/13；長半軸Z方向推導(dǎo)式

G01X[2*#2]Z[#1-20]F180；橢圓逼近擬合插補(bǔ)

G91X2；返回

G90Z2；返回

#2=#2-1；X方向變化增量

ENDW；不滿足條件結(jié)束

G01X[2*#2]Z[#1-20]F180；式中(2*#2)是由于程序中使用的是直徑作為X值，所以要乘以2，#2為X方向的半徑值。

②#2=#2-1；式中(-1)表示X方向每次遞減數(shù)值，這個(gè)值越小，所加工橢圓的表面就越光滑。

3.2 螺紋加工

以件1的M24×1.5螺紋加工為例，其數(shù)控程序如下：

G76C1R00E00A60X22.4Z-44K0.974U0.1V0.1

Q0.4F1.5；

注：該程序表示加工導(dǎo)程為1.5 mm的圓柱螺紋，刀尖角度為60°，精車的次數(shù)選擇1次，螺紋Z向的退尾長度選擇0 mm，螺紋X向退尾長度選擇0 mm，螺紋加工終點(diǎn)坐標(biāo)為X22.4、Z-44，螺紋高度一般取0.649 5 P，計(jì)算得0.974 mm，精加工余量選取100 μm，最小切削深度選取100 μm，第一次切削深度選取400 μm，主軸基準(zhǔn)脈沖處距離切削起點(diǎn)的主軸轉(zhuǎn)角取零度，螺紋導(dǎo)程等于螺距為1.5 mm。

3.3 外圓車削

3.3.1 右端程序：

%0101；(程序號(hào))

T0101；(建立工件坐標(biāo)系，選擇1號(hào)刀)

M03S1000；(啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1 000 r/min)

G00X100Z100；(定義起點(diǎn)位置)

X35Z3；(定義循環(huán)起點(diǎn))

G71U2R1P10Q20X0.5Z0.3F300；(使用G71指令粗車右端外輪廓)

N10G01X0Z0F210S1400；(精加工輪廓起始行)

X18；(精車端面)

X19.989Z-1；(精車倒角)

Z-8；(精車?20 mm外圓)

X24Z-9.5；(精車1.5C倒角)

N20X35；(退刀)

G00X100Z100；(返回起點(diǎn))

M30；(程序結(jié)束)

(2)左端程序：

%0102；(程序號(hào))

T0101；(建立工件坐標(biāo)系，選擇1號(hào)刀)

M03S1000；(啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1 000 r/min)

G00X100Z100；(定義起點(diǎn)位置)

X35Z3；(定義循環(huán)起點(diǎn))

G71U2R1P10Q20X0.5Z0.3F300；(使用G71指令粗車右端外輪廓)

N10G01X0Z0F200S1200；(半精加工輪廓起始行)

X14.28；(半精車端面)

G03X20Z-6.805R10；(半精車R10球面)

G03X15Z-13.61R10；(半精車R10球面)

G01W-8.39；(半精車?15 mm外圓)

X21；(半精車軸肩端面)

X24W-1.5；(半精車1.5C倒角)

W-20.5；(半精車?24 mm外圓)

N20X35；(退刀)

G00X100Z100；(返回起點(diǎn))

車削螺紋：

T0202；(建立工件坐標(biāo)系，換2號(hào)刀)

G00X26Z3S900；(定義位置，主軸轉(zhuǎn)速900 r/min)

G76C1R00E00A60X22.4Z-44K0.974U0.1V0.1

Q0.4F1.5；(車削螺紋)

G00Z100；(退刀)

X100；(返回起點(diǎn))

M30；(程序結(jié)束)

(1)右端程序

%0201；(程序號(hào))

T0101；(建立工件坐標(biāo)系，選擇1號(hào)刀)

M03S600；(啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速600 r/min)

G00X100Z100；(定義起點(diǎn)位置)

X53Z3；(定義循環(huán)起點(diǎn))

G71U2R1P10Q20X0.5Z0.3F180；(使用G71指令粗車右端外輪廓)

N10G01X26Z0F135S900；(精加工輪廓起始行)

W-20；(精車橢圓外圓)

X35.988W-9；(精車錐面)

W-17；(精車?36 mm外圓)

X44；(精車端面)

X45.992W-1；(精車倒角)

N20X55；(退刀)

G00X28Z2；(粗車橢圓面)

#2=13；(賦初始值，短半軸長度)

WHILE#2GE0；(判斷短半軸長度是否大于等于0，滿足條件跳轉(zhuǎn)到結(jié)束)

#1=20*SQRT[13*13-#2*#2]/13；(根據(jù)橢圓表達(dá)式計(jì)算長半軸長度)

G01X[2*#2]Z[#1-20]F180；(按照計(jì)算值切削)

G91X2；(離開工件表面)

G90Z2；(返回起點(diǎn))

#2=#2-1；(短半軸參數(shù)遞減)

ENDW；(粗車結(jié)束)

G00X0S900；(精車橢圓面)

#1=20；(賦初始值，長半軸長度)

WHILE#1GE0；(判斷長半軸長度是否大于等于0，滿足條件跳轉(zhuǎn)到結(jié)束)

#2=13*SQRT[20*20-#1*#1]/20；(根據(jù)橢圓表達(dá)式計(jì)算短半軸長度)

G01X[2*#2]Z[#1-20]F135；(按照計(jì)算值切削)

#1=#1-0.1；(長半軸參數(shù)遞減)

ENDW；(精車結(jié)束)

G00X100Z100；(返回起點(diǎn))

M30；(程序結(jié)束)

3.3.2 左端程序

%0202；(程序號(hào))

T0101；(建立工件坐標(biāo)系，選1號(hào)刀)

M03S600；(啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速600 r/min)

G00X100Z100；(定義起點(diǎn)位置)

X53Z3；(定義循環(huán)起點(diǎn))

G71U2R1P10Q20X0.5Z0.3F180；(使用G71指令粗車左端外輪廓)

N10G01X32Z0F135S900；(精加工輪廓起始行，倒角開始點(diǎn))

X33.992W-1；(精加工C1倒角)

W-4.2；(精加工?34 mm外圓)

G02X45.992Z-15R11；(精加工R11圓弧)

G01Z-50；(精加工?46mm外圓)

N20X53；(退刀)

G00X100Z100；(返回?fù)Q刀點(diǎn))

切槽：

T0202；(建立工件坐標(biāo)系，換2號(hào)刀)

G00X50Z3S600；(靠近工件，主軸轉(zhuǎn)速600 r/min)

Z-25；(移到切槽位置)

G01X40F90；(切槽)

X50；(離開)

G00Z-35；(移到切槽位置)

G01X40F90；(切槽)

X50；(離開)

G00Z-45；(移到切槽位置)

G01X40F90；(切槽)

X50；(離開)

G00Z100；(沿Z軸退刀)

X100；(返回?fù)Q刀點(diǎn))

鉆孔：

T0303；(建立工件坐標(biāo)系，換3號(hào)刀)

M03S400；(啟動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速400 r/min)

G00X100Z100；

X0Z2；(移到鉆孔位置)

G01Z-51F60；(鉆孔)

Z2；(退刀)

G00X100Z100；(返回?fù)Q刀點(diǎn))

精車內(nèi)孔：

T0404；(建立工件坐標(biāo)系，選4號(hào)刀)

G00X16Z3S600；(定義循環(huán)起點(diǎn))

G71U2R1P30Q40X-0.5Z0.2F180；(使用G71指令粗車內(nèi)輪廓)

N30G01X26Z0S900F135；(精加工輪廓起始行)

X22.011W-2；(車削C2倒角)

Z-32.025；(精加工?22 mm內(nèi)孔)

X20；(精加工內(nèi)端面)

Z-34；(精加工?20 mm內(nèi)孔)

X18；(退刀)

N40Z3；(返回起點(diǎn))

G00X100Z100；(返回?fù)Q刀點(diǎn))

切槽：

T0505；(建立工件坐標(biāo)系，選5號(hào)刀)

X20Z3S600；(靠近工件，主軸轉(zhuǎn)速600 r/min)

Z-22；(移到切槽位置)

G01X25F90；(切槽)

X20；(離開)

G00Z100；(沿Z軸退刀)

X100；(回?fù)Q刀點(diǎn))

車螺紋：

T0606；(建立工件坐標(biāo)系，選6號(hào)刀)

G00X20Z3S500；(定義循環(huán)起點(diǎn)，主軸轉(zhuǎn)速500 r/min)

G76C1R00E00A60X24Z-18K0.974U0.1V0.1

Q0.4F1.5；(車削螺紋)

G00Z100；(退刀)

X100；(回?fù)Q刀點(diǎn))

M30；(程序結(jié)束)

4 數(shù)控仿真

在以上各步驟完成后，單擊文件，選擇txt格式的程序，程序?qū)牒髸?huì)自動(dòng)出現(xiàn)在機(jī)床顯示界面上。再單擊自動(dòng)加工按鈕，啟動(dòng)循環(huán)加工，仿真加工自動(dòng)開始。可以隨時(shí)查看每一把刀具的加工軌跡，也可單段運(yùn)行，去查看每一段加工程序的運(yùn)行結(jié)果，如果在加工過程中出現(xiàn)問題，可隨時(shí)選擇手動(dòng)模式，單擊主軸停止，待修改完程序后可再次加工仿真。零件1右端仿真加工軌跡與加工結(jié)果如圖2所示，左端仿真加工軌跡與加工結(jié)果如圖3所示。

圖2 零件1右端加工仿真結(jié)果

零件2右端仿真加工軌跡精加工仿真結(jié)果如圖4所示，橢圓粗加工仿真結(jié)果如圖5所示，橢圓精加工仿真結(jié)果如圖6所示，零件2左端仿真加工軌跡與工仿真結(jié)果與加工仿真結(jié)果如圖7所示，車內(nèi)螺紋效果如圖8所示。

圖4 零件2右端精加工仿真結(jié)果

圖5 橢圓粗加工仿真結(jié)果

圖6 橢圓精加工仿真結(jié)果

圖7 零件2左端加工仿真結(jié)果

圖8 車內(nèi)螺紋加工仿真結(jié)果

5 結(jié)論

(1)使用SOLIDWORKS軟件建立了加工零件的二維和三維圖，編排了零件加工工藝；完成了非圓曲線橢圓的程序編排，使用宏程序編程對橢圓進(jìn)行粗精加工；完成了內(nèi)外螺紋的車加工，使用G76指令在華中世紀(jì)星HNC-21T數(shù)控車床上加工M24×1.5螺紋。

(2)進(jìn)行了零件的加工仿真，并以圖片的方式詳細(xì)展示了如何設(shè)置機(jī)床參數(shù)、裝夾零件、選擇刀具、回零、對刀等操作流程，驗(yàn)證了加工程序的可行性。同時(shí)，對加工過程中出現(xiàn)的各類問題及時(shí)進(jìn)行程序修改，最終得到正確的程序。

(3)在現(xiàn)有技術(shù)條件下數(shù)控仿真過程非常接近實(shí)際加工，因此其在實(shí)際應(yīng)用中具有重大意義。本文程序在仿真加工過程中也經(jīng)常出現(xiàn)問題，由于在仿真過程中可以直觀地看到問題所在，因此可以迅速地進(jìn)行修改，改正后即可再次仿真，非常方便。整個(gè)程序可以錄制視頻，以供后期參考與培訓(xùn)。