数控实训中典型零件的不同编程方式及其仿真加工分析

姚国林

（河南科技学院机电工程学院，河南 新乡 453000）

0 引言

随着制造业的飞速发展以及计算机技术的成熟使用，我国在机械制造领域更加注重零件制造的高精密性。在这一背景下，数控技术应运而生，其高度自动化、集成化、智能化，使用简单的数控编程软件进行编程，即可对零件进行自动加工，极大地提升了加工效率。尤其是近几年，随着校企人才培养模式的兴起，数控加工技术已经成为国内大部分高校不可或缺的一门实训课程[1-2]。

目前，高校的数控技术实训经常使用的是软件自动编程，然后将程序导入机床内部进行识别、读取、运行、加工等一系列操作。自动编程的优点是简单、快捷，尤其是对于复杂形状的零件，很大程度上节省了手动编程时间，降低了编程难度；缺点是前期需要学习相关的编程软件，并具备一定的工程图绘制基础知识，而且编程时容易出现空走刀现象，总体来讲不适合形状过于简单的零件加工。手动编程此时就派上了用场，手动编程普遍用于加工形状简单的回转体零件以及部分铣床类零件，但对于非一般圆弧曲线类零件则不适用[3]。手动编程的优点是方便、简单，可以省去前期的建模时间，并且几乎不会出现空走刀现象，很好地优化了加工路线；缺点是编程人员需要非常丰富的机床加工经验以及制造专业技术，并且要求编程人员具备较高的专业素养，对于刚入行的新手操作起来还是很有难度的。综上所述，两种编程方法各有利弊，分别适用于不同的生产零件和加工环境，对于高校数控技术实训，以数控编程为主，手动编程为辅，可以更好地提高零件的加工效率以及加工质量，从而满足零件实际加工的要求。

本文以实训中一个典型的数控车床零件为例，分别以CAXA数控车软件和手动编程软件进行编程，并使用斯沃仿真系统进行仿真加工，为以后高校数控技术实训提供了一定的参考。

1 零件加工工艺分析

图1是常见的典型回转体零件图。

图1 零件图

分析零件图可得，该零件总长度为52 mm，偏差±0.05 mm。从左至右依次是半径为10 mm的球体圆弧、直径15 mm的圆柱体、公称直径24 mm/螺距1.5 mm普通螺纹（带倒角）、直径20 mm上偏差为0/下偏差为0.021 mm的圆柱体（带倒角）。

根据图1可知，该零件毛坯采用直径25 mm、长度95 mm的圆柱体棒料。为了方便后期加工，棒料材料采用硬铝。回转体零件采用数控车床加工，使用数控车床的内三角卡盘装夹，外露长度为65 mm，因为零件总体长度较短，所以加工时不考虑毛坯跳动问题，另一端不采用顶尖装夹。考虑到加工精度，采用一次装夹即一次加工整个外形轮廓。由于工件左端带有圆弧，考虑到便于切断，以工件左端平面中点为工件坐标系。详细加工过程如表1所示。

表1 加工过程详细参数

2 自动编程

本次自动编程采用CAXA200软件进行建模并编程，由于待加工零件为回转体零件，故在建模时只需要绘制零件的外轮廓曲线并组成封闭区域即可，该封闭区域称为待加工区域。为了直观感受零件的形状，本文画出零件的一半模型并组成封闭区域，如图2所示。

图2 CAXA绘制待加工模型

2.1 外轮廓粗加工参数选择

（1）加工参数：加工精度选择0.1 mm，加工角度为180°，加工余量为0.2 mm，切削行距选择2 mm，干涉前后角度分别为0°和60°，拐角过渡方式选择圆弧过渡，刀尖半径补偿选择编程时考虑，加工方式选择行切方式。

（2）进退刀方式：每行相对毛坯进刀方式选择垂直进刀，每行相对毛坯退刀方式采用与加工表面成定角。

（3）切削用量：参照表1。

（4）轮廓车刀参数：参照图3。

图3 轮廓车刀参数

（5）生成加工轨迹：设定好粗加工参数后，使用限制链拾取或者单个拾取的方式得到零件外轮廓，并选择合适的进退刀点，生成加工轨迹，如图4所示。

图4 粗、精加工轨迹

（6）生成G代码：在生成刀具轨迹之后，选择菜单栏里的代码生成功能，先设置好相对应的机床系统FANUC，然后拾取刀具轨迹，即可生成相对应的G代码。代码部分截图如图5所示。

图5 粗加工G代码部分截图

2.2 外轮廓精加工参数选择

（1）加工参数：加工精度选择0.01 mm，加工余量0 mm，切削行距选择0.5 mm，干涉前后角度分别为0°和60°，拐角过渡方式选择圆弧过渡，刀尖半径补偿选择编程时考虑。

（2）进退刀方式：每行相对毛坯进刀方式选择垂直进刀，每行相对毛坯退刀方式采用与加工表面成定角。

（3）切削用量：参照表1。

（4）轮廓车刀参数：参照图3。

（5）生成加工轨迹：设定好精加工参数后，使用限制链拾取或者单个拾取的方式得到零件外轮廓，并选择合适的进退刀点，生成加工轨迹，如图4所示。

（6）生成G代码：操作同粗加工G代码操作方式一样，需要注意的是，在拾取刀具轨迹时应选择拾取精加工刀具轨迹。代码部分截图如图6所示。

图6 精加工G代码部分截图

2.3 螺纹加工参数选择

（1）螺纹类型：由图1可知应选择外轮廓类型。螺纹牙高可根据公式计算得到1.299 mm，螺纹长度在拾取加工两点后自动生成。

（2）螺纹加工参数：加工工艺选择粗加工+精加工方式。精加工的行距选择0.09 mm，此处需要注意，精加工的行距不得大于精加工深度。

（3）进退刀方式：粗、精加工均选择垂直进退刀。

（4）切削用量：详见表1。

（5）螺纹车刀：选择螺距为1.5 mm的外螺纹车刀，刀具种类选择米制螺纹，经过计算可知，刀刃长度1.29 mm、刀尖宽度0.15 mm、刀具角度60°。

（6）生成加工轨迹：修改完参数后，依次拾取要加工螺纹段的左端点和右端点，然后选择合适进退刀点，即可生成刀具轨迹，如图7所示。

图7 螺纹刀具轨迹

（7）生成G代码：选择代码生成功能，设置好文件名以及需要的数控系统型号，拾取加工轨迹，即可生成G代码。部分截图如图8所示。

图8 螺纹刀G代码部分截图

2.4 车断

车断的详细参数参考表1。

3 手动编程

手动编制要求图纸分析、工艺分析、刀具和参数选择、编程及输入全部由人工完成。结合手动编程的优缺点，本文中的零件属于小型简单零件，可以用手动编程实现加工[4]。

加工零点：手动编制时，首先要确定加工原点，然后再逐步计算其他点的坐标。编程时需要考虑到G1/G2等机床语言指令，再加一个循环指令G71等[5]。本次选择以工件的左端平面中心点作为加工零点。

刀具选择：粗车和精车毛坯外轮廓均采用T01（35°外圆尖刀），加工螺纹采用T02（螺距1.5 mm的外螺纹车刀），最后车断采用T03（3 mm的切断刀）。

手动编程代码如表2所示。

表2 手动编程代码

4 仿真加工

斯沃仿真软件是一款多功能辅助教学软件，它包含国内外众多数控加工系统，并且覆盖了数控车、数控铣、加工中心等不同类型机床，可通过模拟现实数控机床的加工过程，更加直观地显示出待加工工件的最终加工效果[6]。为了对比分析两种编程方式达到的加工效果，本文将自动编程和手动编程的程序分别导入斯沃仿真软件进行比较分析。两种不同加工方式所得到的仿真加工效果分别如图9、图10所示，图9为自动编程仿真加工最终效果图，图10为手动编程仿真加工效果图。

图9 自动编程仿真加工效果图

图10 手动编程仿真加工效果图

对比分析：在仿真结束之后，利用仿真软件自带的功能分别对自动编程和手动编程的仿真结果进行提取分析。由图9、图10的图（a）可知，无论是自动编程还是手动编程的程序都可以在仿真软件中加工出工件的最终形状；对比分析图（b）可知，在仿真加工中，进给倍率是100%，单次运行的情况下，自动编程运行时间为44 s，手动编程运行时间为19 s，是前者时长的一半不到；通过对比图（c）可得，自动编程的粗糙度比手动编程略大，但是由于仿真软件的精准性，此数据只是参考，不能作为实际加工数据使用；对比分析图（d）可知，两种编程方式的加工尺寸精度误差都在规定范围内，符合尺寸要求。

5 结论

由仿真加工的结果可知，自动编程运行时间比手动编程运行时间长；且相同进给倍率下自动编程粗糙度比手动编程粗糙度略大，但此数据只能作为参考；两种编程方式的加工精度相当。总的来说，对于特殊曲面较多的复杂性零件，采用自动编程较为快捷方便；对于普通、简单的零件，采用手动编程较为快捷、省时，但对操作人员的编程经验要求较高。