基于斯沃數控仿真軟件的復雜回轉體零件加工仿真

，楊小平，孫 偉，孫步功

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

我國實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)是一個國家的命脈，而機械制造業(yè)則是工業(yè)中的基礎性產業(yè)。在機械制造業(yè)當中我國許多企業(yè)引進了先進的數控技術，如數控車床、數控銑床、加工中心和機器人技術等，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，數控技術人才稀缺，造成這一問題的原因一方面由于高校在培養(yǎng)人才時限制于硬件設施條件不足，學生不能在實際操作中去領會和鉆研；另一方面則是高校和企業(yè)培訓數控技術人才的成本代價非常大，數控設備上百萬的價格難以承受。工程師都會先檢查零件的加工程序是否正確，而在大部分國內工廠中通過試切工件，來檢查程序的正確與否。工人在試切時可能會發(fā)生撞刀、飛濺等危險，輕則會損壞機床和刀具，嚴重則危及操作人員的生命。

鑒于此，我國機械制造業(yè)迫切需要一個高效快捷而又低成本的方法去解決以上問題，而數控仿真模擬技術正是完美解決這些問題的一個好辦法。目前，各大高校機械類相關專業(yè)普遍都存在學生多而數控機床少等問題，研究學習數控機床仿真模擬勢在必行。通過數控仿真軟件每一位同學都可以學習操作機床，還可以驗證自己所編的程序。并且現在許多機械加工企業(yè)為了減輕數控程序驗證的負擔，進一步地減少事故、提升生產效率，也在應用數控仿真去輔助生產。

本文使用典型的華中數控車削系統(tǒng)仿真加工典型軸類零件，深入學習數控車床加工的方法和步驟，掌握華中數控車削系統(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，學習使用三維畫圖軟件對零件進行三維設計和工程圖建立。結合所學知識和參考資料分析典型車削軸類零件的特征和加工特點，根據所用數控系統(tǒng)類型和零件材料合理地選擇刀具。結合參考文獻分析軸類零件的特征、技術要求和加工工藝，合理編制加工工序卡。學習華中數控系統(tǒng)編寫程序，研究本文的兩個典型加工零件的數控程序，然后學習使用斯沃數控仿真軟件對加工過程做仿真模擬加以驗證。

1 零件的選擇及三維/二維建模

本文選擇典型的數控車削軸類零件作為加工對象。兩個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；內部主特征有圓柱孔、內圓寬槽、內螺紋等，基本可以全面展示數控車床的加工特點，并使用SOILDWORKS軟件來制作零件的三維模型。典型數控車零件如圖1所示。

圖1 典型數控車零件

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號鋼。

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

(3)尺寸分析：軸類零件的加工，首先應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，根據回轉體類零件的特點，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

在選擇數控車床刀具時，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號鋼，選擇硬質合金類刀具對其進行加工。硬質合金類刀具具有良好的熱硬性，在切削溫度很高時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號刀)：90°硬質合金外圓車刀，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號刀)：93°硬質合金外圓車刀，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內圓車刀(4號刀)：93°硬質合金內圓車刀，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內圓寬槽刀(5號刀)：4 mm寬內孔切刀，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號刀)：直徑20 mm，刀桿長度160 mm；⑥內螺紋刀(6號刀)：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

本文兩個零件的加工順序應遵循先加工基準面，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倒角進行循環(huán)粗加工，再進行精車達到圖紙要求；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、倒角進行循環(huán)粗加工，再進行精車達到圖紙要求；③對橢圓面進行粗加工和精加工；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，再精車達到圖紙要求；⑤使用5 mm寬槽刀加工三個寬槽；⑥使用麻花鉆鉆孔；⑦使用內圓車刀粗車內孔，再精車內孔達到圖紙要求；⑧使用4 mm寬槽刀車內孔槽；⑨使用內螺紋車刀車M24×1.5內螺紋。

2.4 切削用量

本文零件加工切削用量的計算需要參考數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 數控車削用量推薦表

表2 鉆孔切削用量推薦表

(1)主軸轉速的計算：根據數控車削用量推薦表中選擇的背吃刀量和進給量選擇合適的切削速度再按照式(1)計算主軸轉速：

(1)

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

(2)進給速度計算：進給速度是影響零件表面粗糙度和加工效率的重要因素，一般應在保證加工質量的前提下選擇較大進給速度，再根據數控車削用量推薦表和主軸轉速按照式(2)計算：

vf=nf

(2)

式中：vf為進給速度(mm/min)；n為主軸轉速(r/min)；f為每轉進給量(mm/r)。

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

表3 計算結果(1)

表4 計算結果(2)

3 關鍵加工過程

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

T0#0#；刀具號

M03S800；啟動主軸正轉，轉速800

G00X28Z2；初始位置

#2=13；橢圓X方向起始點

WHILE#2GE0；當#2≥0時執(zhí)行以下程序

#1=20*SQRT[13*13-#2*#2]/13；長半軸Z方向推導式

G01X[2*#2]Z[#1-20]F180；橢圓逼近擬合插補

G91X2；返回

G90Z2；返回

#2=#2-1；X方向變化增量

ENDW；不滿足條件結束

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方向每次遞減數值，這個值越小，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，其數控程序如下：

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

Q0.4F1.5；

注：該程序表示加工導程為1.5 mm的圓柱螺紋，刀尖角度為60°，精車的次數選擇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，螺紋加工終點坐標為X22.4、Z-44，螺紋高度一般取0.649 5 P，計算得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，主軸基準脈沖處距離切削起點的主軸轉角取零度，螺紋導程等于螺距為1.5 mm。

3.3 外圓車削

3.3.1 右端程序：

%0101；(程序號)

T0101；(建立工件坐標系，選擇1號刀)

M03S1000；(啟動主軸正轉，轉速1 000 r/min)

G00X100Z100；(定義起點位置)

X35Z3；(定義循環(huán)起點)

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)

M30；(程序結束)

(2)左端程序：

%0102；(程序號)

T0101；(建立工件坐標系，選擇1號刀)

M03S1000；(啟動主軸正轉，轉速1 000 r/min)

G00X100Z100；(定義起點位置)

X35Z3；(定義循環(huán)起點)

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)

車削螺紋：

T0202；(建立工件坐標系，換2號刀)

G00X26Z3S900；(定義位置，主軸轉速900 r/min)

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

Q0.4F1.5；(車削螺紋)

G00Z100；(退刀)

X100；(返回起點)

M30；(程序結束)

(1)右端程序

%0201；(程序號)

T0101；(建立工件坐標系，選擇1號刀)

M03S600；(啟動主軸正轉，轉速600 r/min)

G00X100Z100；(定義起點位置)

X53Z3；(定義循環(huán)起點)

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，滿足條件跳轉到結束)

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

G01X[2*#2]Z[#1-20]F180；(按照計算值切削)

G91X2；(離開工件表面)

G90Z2；(返回起點)

#2=#2-1；(短半軸參數遞減)

ENDW；(粗車結束)

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，滿足條件跳轉到結束)

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

G01X[2*#2]Z[#1-20]F135；(按照計算值切削)

#1=#1-0.1；(長半軸參數遞減)

ENDW；(精車結束)

G00X100Z100；(返回起點)

M30；(程序結束)

3.3.2 左端程序

%0202；(程序號)

T0101；(建立工件坐標系，選1號刀)

M03S600；(啟動主軸正轉，轉速600 r/min)

G00X100Z100；(定義起點位置)

X53Z3；(定義循環(huán)起點)

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)

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；(返回換刀點)

切槽：

T0202；(建立工件坐標系，換2號刀)

G00X50Z3S600；(靠近工件，主軸轉速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；(返回換刀點)

鉆孔：

T0303；(建立工件坐標系，換3號刀)

M03S400；(啟動主軸正轉，轉速400 r/min)

G00X100Z100；

X0Z2；(移到鉆孔位置)

G01Z-51F60；(鉆孔)

Z2；(退刀)

G00X100Z100；(返回換刀點)

精車內孔：

T0404；(建立工件坐標系，選4號刀)

G00X16Z3S600；(定義循環(huán)起點)

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

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內孔)

X20；(精加工內端面)

Z-34；(精加工?20 mm內孔)

X18；(退刀)

N40Z3；(返回起點)

G00X100Z100；(返回換刀點)

切槽：

T0505；(建立工件坐標系，選5號刀)

X20Z3S600；(靠近工件，主軸轉速600 r/min)

Z-22；(移到切槽位置)

G01X25F90；(切槽)

X20；(離開)

G00Z100；(沿Z軸退刀)

X100；(回換刀點)

車螺紋：

T0606；(建立工件坐標系，選6號刀)

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

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

Q0.4F1.5；(車削螺紋)

G00Z100；(退刀)

X100；(回換刀點)

M30；(程序結束)

4 數控仿真

在以上各步驟完成后，單擊文件，選擇txt格式的程序，程序導入后會自動出現在機床顯示界面上。再單擊自動加工按鈕，啟動循環(huán)加工，仿真加工自動開始。可以隨時查看每一把刀具的加工軌跡，也可單段運行，去查看每一段加工程序的運行結果，如果在加工過程中出現問題，可隨時選擇手動模式，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果如圖2所示，左端仿真加工軌跡與加工結果如圖3所示。

圖2 零件1右端加工仿真結果

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

圖4 零件2右端精加工仿真結果

圖5 橢圓粗加工仿真結果

圖6 橢圓精加工仿真結果

圖7 零件2左端加工仿真結果

圖8 車內螺紋加工仿真結果

5 結論

(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行粗精加工；完成了內外螺紋的車加工，使用G76指令在華中世紀星HNC-21T數控車床上加工M24×1.5螺紋。

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

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