盧志偉,曹 巖
(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,西安 710032)
Mastercam X6 集二維繪圖、三維實體、曲面設(shè)計、數(shù)控編程、刀具路徑模擬與仿真等功能于一體,不僅可以完成產(chǎn)品的設(shè)計、模擬仿真加工、顯示走刀路徑,及時修改不合理或錯誤,避免因錯誤走刀軌跡給零件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,還解決了復(fù)雜零件型面加工精度的問題[1-3]。曲桿泵主要工作部件是偏心螺桿(轉(zhuǎn)子)和固定的襯套(定子),其轉(zhuǎn)子與定子回轉(zhuǎn)嚙合情況及工作原理如圖1 所示。隨著計算機技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,曲桿泵芯模的加工正普遍地采用計算機輔助設(shè)計與制造,它能有效地提高設(shè)計與加工的速度及質(zhì)量[4-7]。本文研究的數(shù)控加工的定子曲桿泵芯模的三維形狀和尺寸如圖2所示。
圖1 單螺桿泵工作原理圖
圖2 曲桿泵芯模的三維圖及相關(guān)尺寸
如圖2 所示是本文研究的一個待加工的曲桿泵芯模零件,定子為雙頭螺桿,其偏心距a =24mm,截面圓弧R=33.4mm,螺距P =320 ±0.02mm,定子芯模零件長L=480mm,工作表面的表面粗糙度Ra 不大于1.6μm,零件經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理HRC30 ~34。毛坯軸在進行數(shù)控銑加工工序之前,外圓直徑已粗車,在軸的兩端留有三爪卡盤夾持用工藝加長部分及尾頂尖用中心孔。定子曲桿泵芯模的加工工藝方案如表1 所示。
表1 定子曲桿泵芯模的加工工藝方案
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。要求建立截面曲線、掃描路徑曲線,然后利用Mastercam X6 軟件“構(gòu)造掃描曲面”功能完成建模。
進入Mastercam X6 系統(tǒng),單擊鼠標右鍵,系統(tǒng)在繪圖區(qū)彈出常用工具快捷菜單,選擇“右側(cè)視圖”命令,再單擊狀態(tài)欄中的“平面”圖標,系統(tǒng)即可彈出“繪圖面和刀具面”快捷菜單,選擇“右側(cè)視圖”命令,將繪圖平面及視圖平面都設(shè)置為右側(cè)視圖狀態(tài)。分別繪制圓弧、切線并對其進行編輯修剪,最后得到如圖3 所示的截面曲線。
圖3 繪制截面曲線
由于掃描路徑曲線是空間螺旋線,該螺旋線空間任一點坐標的需用數(shù)學(xué)公式進行表述如(1)式。
式中:P—螺距,P = 320mm;R—螺旋半徑,R =33.4mm;t—角度變量,在0 ~540°之間變化(因芯模零件長度480mm,是螺距320mm 的1.5 倍,故最大回轉(zhuǎn)角度為1.5 ×360°)。
(1)單擊主菜單下的“設(shè)置”→“運行應(yīng)用程序”命令,系統(tǒng)即可彈出一對話框,選擇“fplot.dll”文件,單擊“打開”按鈕;選取任意一個曲線公式文件另存為“定子芯模. EQN”文件以進行編輯。系統(tǒng)彈出如圖4 所示的“Fplot”對話框,單擊“編輯公式”命令,打開“定子芯模. EQN-記事本”窗口,分別設(shè)定以下與螺旋線相關(guān)的參數(shù):
(2)保存文件,關(guān)閉編輯器;在如圖4 所示的“Fplot”對話框中單擊“打開文件”按鈕后,單擊“設(shè)置參數(shù)”按鈕,系統(tǒng)即可彈出如圖5 所示的“參數(shù)”對話框,顯示公式曲線的信息;在如圖4 所示的“Fplot”對話框中單擊“Plot it”命令,生成如圖6 所示的曲線。
圖4 “Fplot”對話框
圖5 “參數(shù)”對話框
圖6 掃描路徑螺旋線
單擊主菜單下的“繪圖”→“曲面”→“掃描曲面”命令,系統(tǒng)彈出“掃描”提示框,選擇(兩條路徑)按照系統(tǒng)提示“定義截面方向外形”選擇截面曲線,并單擊按鈕。在系統(tǒng)提示區(qū)顯示“定義引導(dǎo)方向外形”提示信息時,選擇螺旋線作為掃描路徑曲線。在系統(tǒng)提示區(qū)顯示“定義引導(dǎo)方向段落2”提示信息時,再單擊選擇掃描軸控制線,單擊按鈕執(zhí)行掃描,生成如圖8 所示的掃描曲面。
圖7 繪制掃描軸控制線
圖8 掃描曲面
在半精加工之前,曲桿泵芯模毛坯零件已被粗加工為光軸,現(xiàn)進行半精加工刀位軌跡的創(chuàng)建。單擊主菜單下的“刀具路徑”→“多軸加工”命令,系統(tǒng)彈出如圖9 所示“多軸刀具路徑-旋轉(zhuǎn)五軸”對話框,單擊左側(cè)的“刀具路徑類型”選項,選擇右側(cè)的第六個對象“旋轉(zhuǎn)五軸”;然后,單擊圖9 對話框左側(cè)的“刀具”選項,選擇φ16mm 的球頭立銑刀,設(shè)置進給率為700mm/min、主軸轉(zhuǎn)速為1500 r/min、下刀速率為50mm/min、提刀速率為100mm/min 等參數(shù),單擊按鈕;單擊圖9 對話框左側(cè)的“切削的樣板”選項,用鼠標左鍵選擇如圖8 所示的工件曲面后,單擊“回車”鍵,為后面精加工設(shè)置“預(yù)留量”為0.5mm,;單擊圖9 對話框左側(cè)的“刀具軸控制”選項,設(shè)定旋轉(zhuǎn)4 軸為X 軸,要注意“最大步數(shù)”參數(shù)的設(shè)定,本例設(shè)定“最大步數(shù)”=4mm,則數(shù)控轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)就是121 圈(總?cè)?shù)按480/4 +1 計算);單擊按鈕,系統(tǒng)開始計算曲面的加工軌跡;單擊“操作管理器”對話框中的(加工仿真)按鈕,設(shè)置“驗證選項”中的毛坯形狀為“圓柱體”,其圓柱直徑方向為“X”,圓柱直徑為“133.6”,單擊按鈕;單擊(運行)按鈕即可生成如圖10 所示的刀具加工模擬仿真。
圖9 “多軸刀具路徑-旋轉(zhuǎn)五軸”對話框
圖10 半精加工模擬仿真
在“操作管理器”中復(fù)制并粘貼上面生成的半精加工刀位軌跡,將刀具修改為φ12mm 球頭立銑刀用于精加工,設(shè)置其相關(guān)加工參數(shù),單擊按鈕;在“操作管理器”中選擇精加工操作,單擊(重新計算所選操作)按鈕,系統(tǒng)開始重新計算曲面的加工軌跡,結(jié)果如圖11 所示;在“操作管理器”對話框中,單擊(選擇所有操作)按鈕,選擇所有的操作進行切削校驗。單擊(加工校驗)按鈕,進行切削校驗,切削過程如圖12 所示。
圖11 精加工刀具軌跡
圖12 刀具軌跡切削校驗
Mastercam X6 系統(tǒng)提供了通用的后置處理模塊,可針對不同類型的數(shù)控系統(tǒng)制定符合系統(tǒng)要求的數(shù)控系統(tǒng)特性文件,利用已有的刀位文件(* . NCI)進行后置處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換,生成NC 程序代碼。其中有不少后置處理模塊支持4 軸加工,使4 軸加工應(yīng)用變得十分方便。本文運用MasterCAM X6 的4 軸加工對曲桿泵芯模進行了的數(shù)控銑削編程加工,相對于曲桿泵芯模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(fù)雜計算填補其中一些相關(guān)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。在具有4 軸4 聯(lián)動或4 軸任意3 軸聯(lián)動的FANUC 數(shù)控系統(tǒng)立式數(shù)控加工中心上,對定子橡膠芯模的半精加工、精加工程序進行后置處理,可將“MPFAN. PST”文件打開,并進行少量編輯修改。在“操作管理器”對話框中,選擇所要進行后置處理的操作,單擊(后處理)按鈕,即可生成NC 程序如P0201 程序所示。
文中按照曲桿泵芯模的加工要求,對曲桿泵芯模的工藝加工方案進行了設(shè)計,運用MasterCAM X6軟件建立了曲桿泵芯模的三維模型,對其半精加工、精加工刀具路徑進行了規(guī)劃,運用MasterCAM X6 的多軸加工方法進行了數(shù)控加工仿真,并進行了后置處理。這樣不僅大大縮短編程人員的工作量,更縮短了編程人員在數(shù)控機床上的調(diào)試時間,提高了零件的加工效率,大大提高了程序的正確性和安全性;而且解決了特別復(fù)雜的零件如曲桿泵芯模多軸加工的數(shù)控程序編制難題,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,提高了企業(yè)生產(chǎn)的自動化程度。
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