基于MasterCAM的高精度空心軸數(shù)控加工工藝分析

時(shí)小廣，李雁旭

(1. 平頂山技師學(xué)院，河南 平頂山 467000； 2. 平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引言

空心軸在加工過(guò)程中，受夾緊力、切削熱等因素的影響易產(chǎn)生變形，從而導(dǎo)致加工精度不能滿足要求[1]。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)空心軸零件加工工藝、正確選擇刀具、合理設(shè)置切削參數(shù)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助制造模擬仿真功能，可有效克服空心軸在加工過(guò)程中產(chǎn)生變形和振紋等問(wèn)題，進(jìn)而保證加工精度，提高生產(chǎn)效率，縮短加工周期[2]。

MasterCAM軟件可以實(shí)現(xiàn)包括零件二維繪圖、三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)、精確刀具路徑創(chuàng)建、數(shù)控加工程序生成及加工過(guò)程仿真模擬在內(nèi)的多種工作[3-4]，現(xiàn)已在數(shù)控加工中廣泛應(yīng)用，如李國(guó)榮[5]基于MasterCAM軟件對(duì)復(fù)雜凹模零件進(jìn)行數(shù)控加工；郭鵬遠(yuǎn)等[6]利用MasterCAM軟件自動(dòng)生成汽車軸承座模具程序，并對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行仿真分析。本文以圖1所示的職院校學(xué)生數(shù)控車加工技能競(jìng)賽練習(xí)件高精度空心軸為例，研究了基于MasterCAM平臺(tái)的零件數(shù)控加工過(guò)程，詳細(xì)闡述了高精度空心軸數(shù)控加工的具體方法。

圖1 空心軸三維實(shí)體模型

1 基于MasterCAM平臺(tái)的數(shù)控零件加工流程

基于MasterCAM開(kāi)發(fā)平臺(tái)的數(shù)控零件加工主要流程[7-8]如圖2所示。

圖2 MasterCAM平臺(tái)上數(shù)控零件加工流程圖

空心軸裝夾時(shí)產(chǎn)生的夾緊力，空心軸與刀具產(chǎn)生的切削力以及摩擦產(chǎn)生的切削熱，空心軸原材料在鍛造、熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力等，在后續(xù)機(jī)加工中產(chǎn)生釋放等因素，都會(huì)使空心軸在加工時(shí)發(fā)生變形[1]，從而很難保證零件有較高的加工精度。另外，內(nèi)孔較長(zhǎng)的空心軸在加工時(shí)內(nèi)孔壁會(huì)由于刀具振動(dòng)產(chǎn)生振紋。

基于上述加工難點(diǎn)，本文根據(jù)零件圖樣分析該空心軸的結(jié)構(gòu)特性，重點(diǎn)研究其數(shù)控加工工藝并制定了合理的加工方案；應(yīng)用MasterCAM平臺(tái)形成不同加工特征的刀具仿真路徑，并生成有效的數(shù)控加工程序；最后進(jìn)行零件實(shí)體車削加工，來(lái)驗(yàn)證該空心軸數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)的合理性。

2 零件圖樣分析

該高精度空心軸圖樣如圖3所示，具體分析如下：

圖3 空心軸零件圖

1)零件由外圓、內(nèi)孔、圓錐、外槽、外圓弧槽及外螺紋等加工要素組成，內(nèi)外表面有較嚴(yán)格的尺寸公差、位置公差和表面粗糙度值等要求，多處表面粗糙度要求Ra1.6μm。

2)R4圓弧槽、4mm溝槽，槽深尺寸精度要求較高；左端有M55×1.75-6g的外螺紋；軸中心為通孔，圓弧槽壁最薄處僅2mm。

3)為保證孔0.02 mm的同軸度要求，采用鎢鋼抗震內(nèi)孔刀一次加工完成，因加工長(zhǎng)度較長(zhǎng)內(nèi)孔表面易出現(xiàn)振紋。

4)毛坯選用45鋼Φ65棒料，長(zhǎng)100 mm，無(wú)熱處理和其他特殊要求。

3 零件加工工藝設(shè)計(jì)

空心軸材料為45鋼。根據(jù)該類型零件的形狀特點(diǎn)及材料特性，確定工件裝夾方法、合理選擇刀具、制定加工工藝路線及設(shè)定切削用量等，以滿足零件圖中尺寸精度和表面粗糙度的要求。

3.1 工件的裝夾方式

采用三爪自定心卡盤定心夾緊。

3.2 數(shù)控加工刀具

工件左端選用刀具：Φ26鉆頭，Φ20鎢鋼抗震內(nèi)孔刀，90°外圓車刀，刀頭長(zhǎng)度10 mm、刀寬3 mm切槽刀，三角形外螺紋刀。

工件右端選用刀具：Φ20鎢鋼抗震內(nèi)孔刀，90°外圓車刀，刀頭長(zhǎng)度10 mm、刀寬3 mm切槽刀，刀頭長(zhǎng)度10 mm、R1.5圓弧切槽刀。

3.3 加工方案

該空心軸的加工順序按照先粗后精、先內(nèi)后外、先近后遠(yuǎn)的原則確定。工件的整體加工過(guò)程分為加工工件左端和加工工件右端兩個(gè)階段。

a)加工工件左端

1)用三爪卡盤夾持Φ65的毛坯，伸出長(zhǎng)度為55 mm，車端面并控制表面質(zhì)量，見(jiàn)光即可。2)使用Φ26的麻花鉆加工，鉆通孔。3)粗精車內(nèi)孔，粗車內(nèi)孔至Φ30處，長(zhǎng)98 mm，粗車后精車控制內(nèi)孔長(zhǎng)度40 mm和直徑Φ36、Φ30的尺寸及較高的表面質(zhì)量。4)加工外圓至Φ58處，長(zhǎng)48mm，粗車及精車外圓控制Φ49、Φ58的尺寸及表面質(zhì)量。5)粗精車退刀槽。6)粗精加工螺紋，完成M55×1.75-6g的精度控制及較高的表面質(zhì)量。拆卸工件。

主要加工參數(shù)如表1所示。

表1 空心軸左端加工的主要工藝參數(shù)

b)加工工件右端

工件調(diào)頭裝夾，用三爪卡盤夾持Φ58外圓，伸出長(zhǎng)度為60 mm，打表找正。1)使用外圓車刀車平端面，控制工件總長(zhǎng)及表面質(zhì)量。2)精車內(nèi)孔右端倒角及表面質(zhì)量，并在工件右側(cè)內(nèi)孔塞入橡皮泥防震。3)粗車加工右側(cè)外圓柱面至Φ58處接刀。4)粗車加工R4圓弧槽和4 mm直槽。5)精車加工右側(cè)外圓至Φ58處接刀，控制53 mm、Φ36、Φ48的尺寸及較高的表面質(zhì)量。6)精車加工圓弧槽控制Φ34的尺寸，精車直槽控制4 mm、Φ40的尺寸及表面質(zhì)量拆卸工件，完成加工。

主要加工參數(shù)如表2所示。

表2 空心軸右端加工的主要工藝參數(shù)

4 仿真驗(yàn)證及工件實(shí)體加工

運(yùn)用MasterCAM平臺(tái)建立空心軸模型，選擇與實(shí)際加工環(huán)境相同的CKA6150 塔式四工位回轉(zhuǎn)刀架數(shù)控車床，通過(guò)添加毛坯、刀具庫(kù)，設(shè)置各項(xiàng)加工參數(shù)，形成不同加工特征的刀具軌跡。刀具軌跡生成之后，對(duì)各個(gè)刀具路徑進(jìn)行實(shí)體虛擬加工，觀察模擬過(guò)程中刀具、夾具與被加工工件是否存在干涉、碰撞等情況，檢測(cè)加工過(guò)程中是否存在漏切、過(guò)切現(xiàn)象，并對(duì)數(shù)控加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[9]。

空心軸的實(shí)體切削仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 工件左端實(shí)體仿真加工

圖5 工件右端實(shí)體仿真加工

虛擬加工結(jié)果校驗(yàn)完成后，為達(dá)到預(yù)期加工要求，需根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)試優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，再經(jīng)MasterCAM后置處理生成實(shí)用有效的數(shù)控程序[10]。將數(shù)控程序傳輸至CAK6140數(shù)控機(jī)床，并在數(shù)控車床上進(jìn)行工件加工。所加工完成的空心軸實(shí)體工件如圖6所示。該工件加工精度和表面粗糙度符合圖樣技術(shù)要求，充分驗(yàn)證了工藝內(nèi)容的合理性及可實(shí)施性。

圖6 空心軸實(shí)體工件

5 結(jié)語(yǔ)

MasterCAM仿真技術(shù)在指導(dǎo)實(shí)際加工過(guò)程中減少或者避免加工缺陷、縮短編程時(shí)間、提高加工效率等方面發(fā)揮了重要作用。本文分析了空心軸的結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)行了完整的加工工藝分析，運(yùn)用MasterCAM 模擬仿真功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，克服了加工過(guò)程中的難點(diǎn)，保證了零件的加工質(zhì)量。對(duì)學(xué)生進(jìn)行數(shù)控車加工空心軸零件的指導(dǎo)以及企業(yè)縮短零件加工周期、保證零件加工質(zhì)量和精度具有借鑒和參考意義。