农机轮盘零件的数控加工工艺分析*

孟晓华

（山西机电职业技术学院，山西 长治 046011）

0 引言

亚克力又称为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），是一种热塑性好、抗老化性强的透明塑料制品，适合在各种环境中使用，尤其在建筑、家具、工艺品和车辆等领域得到广泛应用，不仅机械强度高，而且加工性能好，易成形。

本案例在数控加工工艺分析的基础上，选用Siemens NX 加工模块完成编程操作。NX 加工模块不仅交互界面友好，而且具备用于钻孔、攻丝和镗孔等场合的点位加工编程功能，还可直接观测刀具轨迹运行情况，从而提升加工工艺优化和编程操作效率。

1 任务分析

农机轮盘零件毛坯及零件模型如图1 所示，要求采用图2 所示的德马吉DMU50 五轴加工中心对该零件上的轴向阶梯孔、通孔、环形槽、径向沉孔等特征全部进行加工，获得图3 所示的加工效果，进一步验证数控加工工艺分析、数控加工工艺卡编写及编程策略应用等任务完成的正确性[1-4]。

图1 毛坯及零件模型

图2 DMU50 五轴机床

图3 加工实物

工艺分析及工序卡编写如下。

1）毛坯：毛坯规格确定为Φ163 mm×48 mm，中间Φ50 mm孔为预加工，作定位基准用。

2）机床：德马吉D M U 5 0 五轴加工中心（SIEMENS 840DSL系统）主要参数如表1所示。该机床采用铸铁床身，具有高刚性、高稳定性和高吸震性，使用性能良好，是世界技能大赛和全国职业院校技能大赛比赛用机，在国内院校及企业用户中广泛使用。

表1 德马吉DMU50 五轴加工中心主要参数一览表

3）装夹：采用“三爪卡盘+芯轴+垫片+螺栓”的方式实现装夹，既可以保证装夹的稳定性，又可有效提升装夹效率。其中，三爪卡盘规格为Φ150 mm。

4）刀具：①用Φ12 立铣刀完成Φ260 mm 外圆、3 组阶梯孔（Φ62.5 mm、Φ52 mm、Φ44 mm）、3 个Φ29.5 mm 通孔的粗铣加工；②用Φ6.8 钻头钻沿周向均布的3 个Φ6.8 mm 通孔；③用Φ8 键槽铣刀铣3 个Φ14 mm 深8 mm 的沉孔和15 mm×7 mm 环形槽；④用Φ10 立铣刀精铣Φ260 mm 外圆、3 组阶梯孔（Φ62.5 mm、Φ52 mm、Φ44 mm）和3 个Φ29.5 mm 通孔；⑤用Φ6 倒角刀对孔口、轮缘倒角；⑥用梳齿螺纹铣刀（螺距1.5 mm）配作螺纹。

5）工序：轮盘零件数控加工工序卡如表2所示。

表2 数控加工工序卡

2 编程过程

1）粗铣Φ260 mm 外圆、阶梯孔（3×Φ62.5 mm、3×Φ52 mm、3×Φ44 mm）和3×Φ29.5 mm 通孔。设置工件坐标系位于上部中心处，采用“平面铣PLANAR_MILL”策略，以“曲线/边”模式选择外圆边线作为边界，指定底部-0.5 mm 处为底面。切削模式设为“轮廓”，切削层设为“仅底面”，采用Φ12刀具以“沿形状斜进刀（斜坡角0.2°，高度0.5 mm，高度起点前一层，最小斜面长度10%）”方式下刀至加工平面后，开始绕外圆切削[5-6]，刀路如图4所示。采用上述相同策略和刀具，选择阶梯孔上边线作为边界，并指定上部孔底为加工平面。通过“跟随周边”方式以“螺旋（斜坡角2°，最小斜面长度5%）”进刀类型切削至加工平面后，开始“向外”扩展切削[7-9]；对于阶梯孔中部孔和下部孔，仅需在此基础上变更边界并指定相应底面后便可得到，而对于通孔，由于其呈“小直径、大深度”的特点，加工必然出现排屑困难等问题，因此在基本策略不变的前提下通过合理分层实现通孔加工。将阶梯孔上、中、下三部分刀路和通孔刀路分别进行“变换”，获得其他特征的加工刀路，如图5所示。

图4 Φ260 mm外圆粗铣刀路

图5 阶梯孔和通孔粗铣刀路

2）钻沿周向均布的3×Φ6.8 mm 通孔。采用“定心钻SPOT_DRILLING”策略和Φ6.8 钻头，按照“钻，深孔”循环方式实现“机床加工周期”运动输出，考虑到钻孔循环六大步骤及钻尖影响，设置参数为“顶偏置5 mm、底偏置8 mm”“深度50 mm”。“变换”刀路，得到另两处通孔钻削刀路，如图6所示。

图6 Φ6.8 mm孔钻削加工

3）铣3×Φ14 mm（深8mm）的沉孔和15 mm×7 mm 环形槽（四轴定向）。采用“平面铣PLANAR_MILL”策略，选择孔边线作为边界并指定沉孔底为底面。由于孔径较小且呈现径向均布特征，需要更换为Φ8 立铣刀，按照“轮廓”模式切削并清根。进刀按照“沿形状斜进刀（斜坡角1°，最小斜面长度10%，高度0.5 mm）”方式切削至底面后再沿孔周加工，其余两孔刀路经“变换”获得。与前述相同策略不同的是，该操作必须将刀轴调整至孔底垂直方位，否则刀路无法正确生成。沉孔加工刀路如图7所示。铣15 mm×7 mm 环形槽时，则需选择“可变轮廓铣VARIABLE_CONTOUR”策略用Φ8 立铣刀通过四轴定向方式加工，以“曲线/点”驱动方法选择环形槽底中部辅助圆，按照“远离直线”方式设置刀轴远离零件轴线[10-12]。由于切削层较厚，需先以“插销”方式从径向沉孔中心处下刀后分多层完成槽中部大余量切除后，再以同样策略切除槽壁少许余量。需要注意的是：槽壁加工时，无论是左侧还是右侧，均需选择槽底和槽壁交叉圆作为驱动曲线。环形槽加工刀路如图8 所示。

图7 沉孔加工

图8 环形槽加工

4）精铣Φ260 mm 外圆、3×Φ62.5 mm 孔、3×Φ52 mm 孔、3×Φ44 mm 孔和3×Φ29.5 mm 孔。选择“平面铣PLANAR_MILL”策略。由于是精加工，无需进行大量材料去除，每步仅需以“轮廓”切削模式在底部加工一周同时精光底和壁即可。不同之处在于，精铣Φ260 mm 外圆时，进刀和退刀均以“线性-相对于切削”方式进行，而在精铣阶梯孔和通孔时，则均以“圆弧（半径1.5 mm）”方式进行，注意，铣削各阶梯孔下孔、通孔和外圆时均需要将底面设置于底面下方0.5 mm 处，防止出现刀具切削不足的现象发生。加工刀路如图9所示。

图9 Φ260 mm外圆轮廓和轴向孔精加工

5）倒角（孔口、轮缘）和铣螺纹（配作）。孔口倒角时，采用“固定轮廓铣FIXED_CONTOUR”策略。以“曲线/点”驱动方法选取全部孔口边缘，更换刀具为D6×50L×90°倒角刀，进退刀设置为“圆弧（半径1 mm）-垂直于刀轴”，刀轴沿“+ZM”，通过变换刀路，形成其余三组相同刀路。轮缘倒角时，由于是径向加工，需要采用“可变轮廓铣VARIABLE_CONTOUR”策略。以“曲线/点”驱动方法选取轮缘为驱动组，进退刀设置为“圆弧（半径0.5 mm）-垂直于刀轴”，最大不同之处在于，刀轴需要以“远离直线”方式远离零件轴线，通过变换刀路，形成另外一侧相同刀路。加工刀路如图10 所示。对3×Φ62.5 mm 孔进行螺纹铣削时，则需要采用“螺纹铣THREAD_MILLING”策略。选择阶梯孔上孔作为特征几何体，更换刀具为梳齿螺纹铣刀（螺距1.5 mm），以“牙数”控制螺纹铣削轴向步距，通过变换刀路，形成其余两处相同刀路，刀路如图11所示。

图10 孔口倒角和轮缘倒角加工

图11 螺纹铣削

3 结论

本研究对亚克力材质的轮盘零件进行了详细数控加工工艺分析，按照工艺要求，研究了基于NX 平台的数控加工策略使用，并在DMU50 五轴加工中心上展开实践探索，经检查，零件尺寸、位置、形状等误差均在要求范围内，零件表面质量较好。因此，本加工工艺方法对于加工同类材质产品具有一定借鉴意义。