数控CAM 软件替换轴加工方法研究

王文超，李 可，吴 毅，叶 松

（九江职业技术学院，江西 九江 332007）

机械制造行业是进入工业化进程最早的产业之一，世界各国的大多数产品都离不开机械加工和制造。因此，机械制造行业成为世界经济的重要基石。机械加工的精度，是影响机械制造行业深度发展的重要因素[1]。几十年来，机械制造行业通过各种新方法和新技术，不断突破原有机械加工精度的上限等级，使机械产品的制造水平不断提高。在不断革新的机械加工方法中，数控加工占有非常重要的地位，其用计算机或微型处理器代替工人手工操作，实现了对机械加工过程的全控制，从而大大降低了各种误差因素的影响，使得机械加工精度获得了极大地提升[2]。正因为如此，世界各国都非常重视数控加工技术的运用，各种型号的数控机床和数控加工中心，成为机械行业最重要的生产设备。需要指出的是，机床、夹具、刀具等硬件固然是数控加工技术得以实现的保证，但决定机械加工质量的还是数控系统中的CAM 软件。以轴类零件的加工为例，数控CAM 软件就提供了多种可行的编程方案，而这些方案中，替换轴加工方法的应用场合最多[3]。据此，本文以数控CAM 软件的替换轴加工方法为研究对象开展研究工作，以期进一步提升轴加工的质量。

1 数控CAM 软件替换轴加工中的问题

在数控CAM 软件中，为轴类零件和回转零件设计了多种编程方法和加工方法，其中，基于替换轴的编程加工方法效果最好、应用的场合也最多。所谓替换轴编程加工方法，就是用旋转轴代替X 轴或者用旋转轴代替Y 轴，在加工过程中刀具的参照轴线始终对位于被加工的轴类零件或者回转零件的中心。这样的方法，对于轴类零件和回转零件的加工，不仅可以完成简单的线条加工，还可以完成曲面加工。

虽然基于替换轴的加工方法在数控CAM 软件编程技术中占有十分重要的地位，并且相比于其他轴加工方法优势明显，但其也存在一些不足。大量的加工案例显示，基于替换轴的加工方法在实际加工中存在过加工或欠加工的问题。所谓过加工，就是替换轴加工方法会切掉更多的余量，大于加工要求的余量份额。所谓欠加工，就是替换轴加工方法会切掉的余量不足，少于加工要求的余量份额。

如图1 所示，是要在轴类零件上加工一个垂直通孔。

图1 轴类零件上加工一个垂直通孔的示意图

从图1 中可以看出，这是一个中空轴，通孔的位置在正上方，如剖面线所示的区域。正确加工的情况下，通孔两侧的母线应该是相互平行、垂直方向上的直线。但是，在替换轴的加工方法下完成加工，有时会出现过加工的情况，如图2 所示。

图2 在替换轴的加工方法下的过加工

如图2 所示，因为过加工情况的出现，导致了垂直方向上的通孔截面变成了一个梯形圆环，通孔两侧的母线并不平行。可见，这就是因为余量过切导致的。在有些情况下，还会出现欠加工的情况，如圆弧底部只切出了水平直线的形状等。

2 数控CAM 软件替换轴加工的技术实施

下面，以一个具体的加工任务来说明数控CAM 软件如何完成替换轴的加工。这个具体的加工任务是在中空圆柱上加工对称的6 个通孔，这6 个通孔均匀地分布在中空的圆柱上，彼此之间间隔60°。因为数控CAM 软件具有刀具加工路径的转换功能，因此只要实现一个通孔的加工和刀具路径记忆以后，即可采用路径转换功能实现其余5 个对称工位上的通孔加工，这样的案例如图3 所示。

图3 本文具体的加工任务案例

对于图3 的加工任务，可以从2 个基准出发设计编程和加工方法，一个基准是以圆柱内表面进行设计，另一个基准是以圆柱外表面进行设计。从软件操作的角度看，可以设置一个新的图层，图层的名称命名为通孔线框。命令操作顺序：第一步点击“绘图”，第二步点击“曲面曲线”，第三步点击“单一边界”，第四步点击“由实体产生”，根据数控CAM 软件的提示，点选通孔的边界线，进而完成线条连接即可。

2.1 以圆柱内表面为基准进行编程设计

设置一个新的图层，图层的名称命名为内表面基准-通孔线框。第一阶段的命令操作顺序：第一步点击“荧屏”，第二步点击“改变层别”，根据提示选择通孔的边界线框，然后点击确定。

第二阶段的命令操作顺序：第一步点击“转换”，第二步点击“缠绕”，第三步点击“串联”，根据提示选择通孔的边界线框，然后点击“执行”。“执行”命令会触发一个对话框，在这个对话框中选择“展开”，接下来以X轴为旋转基准进行旋转，旋转轴的直径录入为60°，旋转的方向设定为顺时针，再次点击确定，从而得到通孔的展开线框。

第三阶段的命令操作顺序：第一步点击“刀具路径”，第二步点击“外形铣削”，在其下配置关键参数以实现刀具路径的编程。

第四阶段的命令操作顺序：第一步点击“刀具参数”，第二步点击“旋转轴”，此操作会触发一个对话框，设定旋转模式为“取代”，这里的取代轴设定为Y轴，旋转轴的直径录入为60°，旋转的方向设定为顺时针，再次点击确定，从而得到通孔加工的刀具路径。

第五阶段的命令操作顺序：第一步点击“刀具路径”，第二步点击“操作管理”，第三步点击“刀具路径模拟”，第四步点击“手动控制”，连续操作鼠标左键，就可以获得通孔加工的刀具路径仿真结果。

仿真路径结果显示，以圆柱内表面为基准进行编程设计、完成通孔加工，会出现过切的情况，并不理想。

2.2 以圆柱外表面为基准进行编程设计

以圆柱内表面为基准进行编程设计、完成通孔加工，其操作过程与以圆柱内表面为基准时的操作接近，这里在过程上不再赘述。此情况下的主要问题是会出现欠切、切不到位的情况。

3 数控CAM 软件替换轴加工原理及欠切分析

3.1 数控CAM 软件替换轴加工的原理分析

替换轴加工方法是数控CAM 软件中非常常用的方法，其通过缠绕功能实现了槽、孔等对称元素的编程和加工。在这样的加工过程中，被加工对象的边界线条是编程刀具路径中的关键要素。

在加工过程中，旋转轴的设定有2 种方式，第一种方式是以X轴为旋转轴，第二种方式是以Y轴为旋转轴。在第一种方式下，先设定X轴为旋转轴，然后将通孔边界线条沿着Y方向进行排列。在第二种方式下，先设定Y轴为旋转轴，然后将通孔边界线条沿着X方向进行排列。

在2 种方式下，后续的工作是根据通孔边界线条特征建立刀具路径，当一个完成以后，可以采用缠绕功能映射出其他刀具路径。在实际执行的过程中，究竟选择哪种方式，一般要结合数控机床的类型。如果是立式数控机床，则选择第二种方式；如果是卧式数控机床，则选择第一种方式。从几何空间形态来看，替换轴加工的工作原理，如图4 所示。

图4 替换轴加工的空间形态

图4 中，设定原点为整个平面的中心，Y轴为径向轴、Z轴为径向轴、X轴为对称轴。在这样空间配置下，对任意一点P在空间内展开之后，可以得到的Y坐标，如公式（1）所示。

式中：参数C为整个圆周展开的周长，参数D为展开缠绕操作时的直径，参数A为缠绕操作的角度。

3.2 数控CAM 软件替换轴加工的欠切分析

接下来的工作中，对数控CAM 软件替换轴加工如何产生欠切进行分析，解读过程如图5 所示。

图5 替换轴加工的过切示意图

在图5 中，P1代表了要加工通孔的理想位置左侧边，P2代表了要加工通孔的理想位置右侧边，但在经过替换轴加工后，P1′代表了要加工通孔的实际位置左侧边，P2′代表了要加工通孔的实际位置右侧边。现在过P1′和P2′的上顶点，向底部作2 条垂线，分别用P3′和P4′表示。在此基础上，利用缠绕功能将P3′和P4′恢复到上方，形成P3和P4的位置。这个过程中，需要设定X轴为旋转轴，设定旋转方向为顺时针方向，设定旋转轴直径的大小为60°。

下面分析欠切产生的过程，从数控CAM 软件的操作流程上看，第一阶段：第一步点击“回主功能表”，第二步点击“荧屏”，第三步点击“系统规划”，第四步点击“NC 设定”，第五步点击“刀具显示”，选择步进量的方式。

第二阶段：第一步点击“回主功能表”，第二步点击“刀具路径”，第三步点击“操作管理”，第四步点击“重新计算”，不断点击确认从而得到刀具路径。

通过对刀具路径的生成过程发现，最初的通孔上口刀具路径是正确的，但随着加工深度不断加深，通孔下部出现了欠加工的问题。究其原因，是数控CAM软件的缠绕功能导致的，刀具受到自身直径大小的限制，其加工深度不断变小，从而导致欠加工的出现。对于上述问题的解决，一般可以通过2 种手段实现：第一，选择材料更加合适的刀具，如高速钢等；第二，选择合理的刀具半径，确保铣削加工能够完成通孔的形状加工。

4 结论

数控加工是满足精度要求的重要机械加工方法，对于机械制造行业具有十分重要的意义。在数控加工的实现过程中，软件起到了至关重要的作用。本文主要针对数控CAM 软件中替换轴的加工方法进行研究。以一个回转体的替换轴加工为研究案例，其上有6 个通孔的加工任务，6 个通孔之间按照对称关系均匀排布。在CAM软件中给出了详细的操作流程，分别以X 轴为旋转轴、以Y 轴为旋转轴2 种方式进行加工，给出了具体的操作指令和执行步骤。最后，对CAM 软件中的替换轴加工原理进行了分析，并给出了欠切加工的解决办法。