螺旋槽的四轴数控加工程序设计探究

刘思其

摘 要：四轴联动加工目前已经被广泛的应用在了制造业中，本文就在MasterCAM软件为平台的基础上，以三维螺旋槽的四轴联动加工为例，在二维展开图的基础上，利用软件中自带的功能，将普通的三轴二维外形铣削刀具的路径转变为四轴螺旋槽刀具的加工路径。在此次的研究中，本人将MasterCAM四轴联动数控加工的方法和其中技巧作为重点进行了介绍，希望相关人士借鉴。

关键词：螺旋槽；四轴数控加工程序；设计；探究

MasterCAM软件是由美国一家软件公司所开发出来的类似于我们的CAD软件系统，此种软件中不但包含有二维几何设计和三维曲面造型的设计，还具有数控加工编程的能力。并且主要的亮点就是它的数控加工编程功能使用起来极其便捷，能够同时提供2～5轴的铣削刀具、车削中心，还提供了变锥度线进行切割4轴的加工编程等功能。近年来，数控加工技术的应用越来越广泛，需要进行高精密加工的零器件也越来越多，数控加工技术走向了多轴联动以及工艺复合化发展的道路，多轴加工程序的使用也更加广泛。但是如果在某金属壳上面加工出沟槽的形状，在采用四轴联动数控程序进行加工时，就要充分的利用MasterCAM软件中的自换轴法功能来进行加工，将三轴问题转换成四轴刀具路径来对编程的步骤进行简化，为提高加工效率打好基础。

1 螺旋槽金属壳的概述

某机器上需要用的一种金属壳为三维螺旋槽金属壳，此金属壳外部看呈圆柱形，直径100 mm，高200mm，材质为LY12，为了使用的需要，需要在此金属壳的外部设计三条螺旋槽，并且还要使各个槽之间的夹角互为120度。此金属壳外部槽的宽度为36 mm，槽深15 mm。相关人员对其进行分析后，发现只有采用四轴联动数控加工技术才能实现对本产品的设计和生产。

2 编制数控加工程序

2.1 绘制出螺旋槽的二维展开图

按照设计人员给出的设计图纸以及相关的要求，利用MasterCAM软件中自带的二维几何设计功能，绘制出本金属壳上螺旋槽的引导线，也就是要绘制出螺旋线的二维展开图。对本金属壳的螺旋线经过转换计算后发现，其成了一个矩形，矩形的长L=π×D×n，也就是长L=3.14×100×2=628mm，宽也就是高H=T×n，也就是宽H=200×2=400 mm。上述式子中的D代表的是本金属壳螺旋线的直径，单位mm。n代表的是螺旋线的圈数，本次需要设计的金属壳上有2圈螺旋线。T代表的则是两相邻螺旋线之间的距离 ，单位mm。

工作人员在进行对角线的绘制过程中，将展开矩形图上的P1、P2两个端点用直线连接起来，为了留好进退刀的距离，就需要分别将两端点向外各延长30 mm。在直线P1P2的加工过程中，需要采用端铣刀，端铣刀的直径为20 mm，由于本金属壳外部槽宽36 mm，因此，工作人员可以采用MasterCAM软件中自带的二维外形铣削的功能，对铣出槽的宽度分两次来完成，然后采用软件中的单体偏移命令将延长后的对角线分别向着左右两边进行偏移，每边偏移的宽度=外部槽宽/2，也就是36/2，即18 mm。详见下图1所示：

上图中的直线P1P2为螺旋槽的二维展开图的对角线，而直线P3P4和P5P6则是直线P1P2经过左右偏移后得到的两条偏移线，也就是本金属壳螺旋槽铣刀具行进的路径。

2.2 生成刀具的路径

在铣刀具路径的生成过程中在，主要有5个步骤：即

（1）金属壳二维外形铣削刀具路径的生成过程中，工作人员就需要充分的利用MasterCAM软件中自带的二维外形铣削功能，选择二维外形铣削功能后，点击后就会出现刀具路径的选择对话框，此时选择外形铣削，此时还需要将直线P3P4和P5P6选择后将其串联起来，在串联的过程中要特别注意两条直线在进行串联时，应使其方向相反。然后用直径为20 mm的端铣刀具，注意要将此刀具的进给率设置为100 mm/min，同时将下刀的速率设置为60 mm/min，还要将刀具主轴的转速设置为2000 r/min，在进行铣削时，应分层进行，本次分成了3层逐层进行铣削，每次铣削的深度控制为5 mm为宜；

（2）然后采用MasterCAM软件中自带的自换轴法功能来生成单条螺旋线的刀具路径，在此过程中，就要对旋转轴功能的有效情况进行设定，也就是打开铣削刀具参数的选择菜单后，将旋转轴的功能设置为有效，此时就会弹出旋转轴的设定框，需要对旋转轴的轴型进行选择，要选择“轴之取代”的选项，此时也就是原有的X軸被旋转A轴所取代的意思，在同一个对话框上，将旋转轴的直径设定为100，此时就会弹出一个独立的螺旋槽四轴切削加工程序的对话框，对话框中就会显示出铣削刀具的行进路径图；

（3）对于其他两条螺旋槽的铣削刀具行进路径的设定，可以采用旋转复制的方法来完成。具体步骤为：选择刀具路径后，点击就会进入到下一页，其上面找到路径转换，注意，此时要将旋转角设置为120°，并在此基础上以原点为旋转中心，来复制单个螺旋槽的四轴切削加工的程序，随后其他两条螺旋槽铣削刀具的行进路径就会立即生成；

（4）最后则是对本次设计的仿真实体进行验证，也就是对金属壳的型式进行设定，选择工件型式对话框，选择圆柱体和圆柱体之轴向，也就是原有的X轴被旋转A轴所取代，将金属外壳的直径设定为100 mm，然后分别设定2个点，即0点和200点，选择完成后单击确定，此时金属外壳通过仿真加工后的效果图就会清晰的显示出来（如下图2所示），本次仿真金属外壳工件处理后生成的程序如下图3所示；

（5）在对生成实际应用的数控程序进行后处理时，目前，由于多轴加工的数控机床的型号、类型等都比较多，也就造成所配置的控制系统之间存在着很大的差异。但是用MasterCAM软件中由系统默认的后处理文件MPFAN.PST所生成的程序，也并不是所有的机床都能将其识别出来，而是需要在MPFAN.PST的基础上对生成的文件进行适当的修改。在此过程中，要以相关的研究文献、数控机床的使用说明术等为依据进行，通过多MPFAN.PST后处理数据进行修改，就会得到所需要的螺旋槽的数控加工程序，也就是如下图3所示的工件处理后生成的程序图。

3 数控加工

此金属外壳是由本公司的配有FANUC 18M高速四轴立式加工中心而进行加工生产的。旋转A轴也就是伺服驱动的回转轴，其外表的直径在100mm，不过这是毛坯棒料的直径，在安装A轴时，采用了夹顶的方式将其平行的安装在X轴上，但是需要注意的是在加工A轴时，要使X轴的方向朝着金属外壳工件的直径方向进行分度，保证X轴与A轴能够进行联动，同时，还要注意Z轴方面的深度。在进行铣削加工时，对其进行分层铣削，保证每一层的铣削深度在5 mm为宜，这样一来，此金属外壳零件总共需要45～60 min就可以完成。

4 结束语

多轴数控加工实现了对一些比较复杂的曲面型面的加工在，此种加工程序与三轴数控相比较而言，有着更多的优势。本次研究中就以螺旋槽的四轴数控加工程序的编制为例，充分的利用了MasterCAM软件中的自换轴法功能和刀具路径的旋转复制功能，将普通的三轴二维外形铣削刀具的路径转变为四轴螺旋槽刀具的加工路径。并且在此过程中重点介绍了MasterCAM四轴联动数控加工的方法和加工技巧，希望能够为相关工作人员提供一些参考性的意见。

参考文献

[1]石从继.应用宏程序和VERICUT实现空间螺旋槽四轴数控加工[J].现代机械，2016（05）：25-27.

[2]石从继，周严.基于MasterCAM的螺旋槽四轴数控加工[J].制造业自动化，2011，33（07）：38-39+57.

[3]潘子南.螺旋槽的四轴数控加工程序设计[J].装备制造，2009（04）：168+170.