2024年4月8日发(作者：)

第２６卷第１期　

２０１３年１月　

文章编号：１００２—６６７３（２０１３）叭一１６４—０３　

Ｄｅｖｅｌｏｐｒｎｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　

机电产品开崖与钏斩　

ＶＯＩ．２６．ＮＯ．１　

Ｊａｎ．，２０１　３　

基于ＰｏｗｅｒＭｉｌｌ２０１　０的曲面槽轴的数控￣Ｊｌ：ｌ　Ｔ．　

杨晓春　

（云南机电职业技术学院，云南昆明６５０２０３）　

摘要：第五届全国数控技能大赛暨第４２届世界技能大赛，云南省选拔赛实操试题有种曲面槽轴零件，主　

要构成要素包括平面、半椭圆凸台、曲面槽、腰形槽、矩形槽、孔、螺旋槽、非标螺纹，分析零件　

图纸．制定了加工方案．利用Ｐ０ｗｅｒＭＩＬＬ２０１０软件的３轴、４轴加工策略形成刀具轨迹及ＮＣ程　

序，上传加工中心，圆满完成了零件的加工。　

关键词：轴；曲面槽；ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０；加工策略；加工中心　

中图分类号：ＴＧ６８　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１３．０１．０６３　

ＮＣ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｕｒｖｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｇｒｏｏｖｅ　Ｓｈａｆｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰｏｗｅｒＭｉ１１２０１０　

ＹＡ　ＮＧ　ｉａｏ一　ｕｎ　

（Ｙｕｎｎａｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｉｃａｌｒ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｙｕｎｎａｎ　６５０２０３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｏｖｅ　ｓｈａｆｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｆｔｈ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ＮＣ　ｓｋｉｌｌｓ　ｃｏｎｔｅｓｔ　ａｎｄ　４２ｎｄ　

ｗｏｒｌｄ　ｓｋｉｌｌｓ　ｃｏｎｔｅｓｔ　Ｙｕｎｎａｎ　ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ｔｒｉｌｓａ，ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎｃｌｕｄｅ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｅ，ｔｈｅ　ｈａｌｆ　ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｖｅｘ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｏｖｅ，　

ｔｈｅ　ｗａｉｓｔ　ｓｈａｐｅｄ　ｇｒｏｏｖｅ，ｔｈｅ　ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ　ｔａｎｋ，ｔｈｅ　ｈｏｌｅ，ｔｈｅ　ｓｃｒｅｗ　ｇｒｏｏｖｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｏｎ—ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｈｒｅａｄ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｐａｒｔ　ｄｒａｗｉｎｇｓ，　

ｆｏｒｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ，ｕｓｅｓ　ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０　ｓｏｆｔｗａｒｅ　３　ａｘｉｓ　ａｎｄ　４　ａｘｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｔｏ　ｆｏｒｍ　ｔｏｏｌ　ｐａｔｈ　ａｎｄ　ＮＣ　ｐｒｏｇｒａｍ．　

ＮＣ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｕｐｌｏａｄ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｒｅ　ｔＯ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｆＡｌｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈａｆｔ；ｃｕｒｖｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｏｖｅ；ＰｏｗｅｒＭｉｌｌ２０１０；ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｒａｔｔｅｇｙ；ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｃｅｎｔｒｅ　

０引言　

第五届全国数控技能大赛暨第４２届世界技能大赛　

云南省选拔赛加工中心竞赛．教师组和职工组的实操试　

题一样，要求完成一个曲面槽轴和一个螺母套零件的加　

工，再把二者装配起来．零件材料均为４５钢。曲面槽　

轴是整个组件中最复杂，加工精度、形位公差、表面质　

量等要求最高的零件，涉及到多个复杂曲面的加工，特　

别是两个曲面槽的加工最难。耗时最多。手工编程无法　

圆凸台、曲面槽、腰形槽、矩形槽、２一　１９Ｈ７孔等加工　

要素，曲面槽轴左端的加工要素为螺旋槽，右端的加工　

要素为椭圆顶及Ｍ３７ｘ１的螺纹头。曲面槽共有两个．一　

个是花生槽，它的侧面由带角度变化的椭圆曲面、圆弧　

曲面构成，底面由圆柱曲面构成；另一个是椭圆槽，它　

的侧面由带角度变化的椭圆曲面构成，底面由圆柱曲面　

构成。从图形上看，易产生需用５轴加工策略和５轴机　

床才能避免刀具干涉，仔细分析图纸，曲面槽沿轴向的　

任意平行剖切面显示出它的侧面轮廓线均延长相交于轴　

心线，如图２所示，用４轴加工策略和４轴机床可以完　

成加工。　

零件毛坯是一个带台阶和内孔的圆柱体，外圆柱　

进行。笔者作为教师组参赛选手，利用Ｐ０ｗｅｒＭＩＬＬ２０１０　

软件对曲面槽、半椭圆凸台等进行了编程和加工。Ｐｏｗ—　

ｅｒＭＩＬＬ软件是英国剑桥大学开发的主要面向模具零件　

加工的自动数控编程系统，具有算法先进、计算速度　

快、易学易用、刀具路径安全等特点。　

面、左端螺旋槽的圆柱面、内孔已加工至图要求，根据　

图纸要求和毛坯情况．需要２次不同的装夹定位才能完　

成整个工件的加工，确定工艺方案为：①以４轴加工中　

１加工方法分析　

图１中．曲面槽轴的外圆柱面主要包括平面、半椭　

修稿日期：２０１２—１１—１６　

心Ａ轴转台夹持轴的右端，左端用尾架顶尖顶住轴预作　

好的中心孔。用百分表校正工件外圆柱面，使工件轴心　

线和Ａ轴重合。顺序完成２个平行平面、螺旋槽、半椭　

作者简介：杨晓春（１９７０一），男，云南昆明人，副教授，硕士。主　

要从事机械设计与制造、数控技术的科研与教学工作。　

１６４　

圆凸台、腰形槽、矩形槽、２一中１９Ｈ７孔、曲面槽等加　

工；②拆下工件，上平口虎钳，夹持外圆柱侧２加工好的　

槽轴的三维模型　

ｃｕｒｖｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｏｖｅ　ｓｈａｆｔ　

平面，螺旋槽端朝下，　

校正工件外圆柱面，加　

工椭圆顶及Ｍ３７ｘｌ的螺　

纹头至图要求。　

２主要加工要素的　

加工过程　

１．花生槽２．椭圆槽　

２．１螺旋槽　

图２’曲面槽轴向剖切面　

直接在机床编程界面　

Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｐｌａｎｅ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｇｒｏｏｖｅｓｈａｆｔ　

上手工编写一个４轴程　

序．使用　１０整体钨钢　

球头铣刀直接加工完成。程序清单如下　

Ｏ０００１；　

Ｇ５５　Ｇ４０　Ｇ４９　Ｇ８０　Ｇ６９：　

Ｍ０３　ＳＩＯ００；　

Ｍ０８：　

Ｇ９Ｏ　Ｇ００　Ｘ０　Ｙ０　ＡＯ：　

ＺＩＯ；　

Ｇ０１　Ｚ一３　Ｆ６０；　（第一刀切削螺旋槽）　

Ｇ９１　Ｘ１９．５　Ａ一５４０　Ｆ２００；　（螺旋槽螺距Ｐ＝１３，走１．５Ｐ）　『

Ｇ９０　Ｚ２０　Ｆ８００；　

Ｘ０Ｙ０Ａ０；　

Ｚ一４　Ｆ６０；　（第二刀切削螺旋槽）　．　Ｉ

Ｇ９１　Ｘ１９．５　Ａ一５４０　Ｆ２００：　

Ｇ９０　Ｚ２０　Ｆ８００：　

ｘ０Ｙ０Ａ０；　

ｚ一５　Ｆ６０；　（第三刀切削螺旋槽）　

Ｇ９１　Ｘ１９．５　Ａ一５４０　Ｆ２００；　

Ｇ９０ＺＩＯ　Ｆ２００：　

ＣＯＯ　Ｚ１５０；　

Ｍ０９：　

Ｍ０５；　

Ｍ３０：　

２．２曲面槽　

花生槽包括了椭圆槽的加工要素，实现了花生槽的　１

加工，用同样的方法就可以实现椭圆槽的加工，因而曲　：

面槽的加工重点就是花生槽的加工。花生槽的加工方案　Ｉ

・

数控机床世界・　

有两种：方案一，４轴粗加工＋４轴精加工；方案二，３　

轴粗加工＋３轴精加工＋４轴清根加工。工件、刀具、机　

床、切削参数相同条件下，４轴加工效率远低于３轴加　

工，选定方案二进行花生槽的加工。　

（１）刀具选择。球头铣刀和平底铣刀是铣削加工常用　

的刀具。３轴加工目的是为尽快去除工件加工余量．加　

工面根部产生较少的残留，为４轴清根加工创造条件。　

如图３所示．球头铣刀比平底铣刀加工产生的根部残留　

要少，因而选用球头铣刀进行３轴加工，粗加工刀具为　

１０整体钨钢球头铣刀，精加工刀具为　４整体钨钢球　

头铣刀。４轴加工采用平底铣刀精光侧面并清除３轴加　

工的根部残留，刀具为　４整体钨钢平底铣刀。　

（２）三维造型。ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ软件专注于加工编程，没　

有造型功能．本文根据图纸使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０完成零　

件的三维造型，保存成ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０软件可直接输人　

的后缀名为．ｓｔｅｐ模型文件。亦　

ｌＺ

——　

可保存成后缀名为．ｓｌｄｐｒｔ的　

计　

ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ标准模型文件．通　

过ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０软件的Ｅｘ．　

／　

，

／ｏ　

ｃｈａｎｇｅ模块转换，保存成后缀　

名为．ｄｇｋ的ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０直　

图３根部残留　

接接受的标准模型文件。　

Ｆｉｇ．３Ｒｏｏｔ　ｒｅｓｉｄｕｅ　

ｌ　

（３）编程。打开ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０软件．进人操作界面，　

Ｉ　

输入三维模型．存贮项目文件为柱底曲面槽的数控加　

ｆ　

工。设置编程坐标系，使其与工件装夹定位后的加工坐　

：　

标系一致，定义毛坯、加工边界，选取合适的加工策　

ｌ　

略，设置刀具、刀轴、切削速度、加工余量、冷却方　

Ｉ　

式、连接形式等相关参数，值得注意的是，球头铣刀刀　

　

尖理论上讲，线速度Ｖ＝０，是不能进行切削的，切人方　

－　

式选择斜向切入，倾斜角度３ｏ－５。为宜。具体如下：①３　

｝　

轴粗加工：定义花生槽侧面外廓曲线为加工边界。选择　

　

模型区域加工策略，刀轴固定，侧面和底面加工余量均　

ｌ　

为０．６ｒａｍ，下切行距和步距均为ｌｍｍ，刀具转速　

：　

Ｉ

２０００ｒｐｍ．切削进给率６００ｍｍ／ｍｉｎ，下切进给率２００ｒａｍ／　

１

　

　

ａｒｉｎ，计算后形成刀具轨迹；②３轴精加工：加工边界与　

｛　

粗加工定义一致，选择三维偏置精加工策略，刀轴固定，　

侧面加工余量为０．１ｍｍ。留给后续４轴加工，底面不再　

ｌ　

ｌ　

留加工余量，直接加工完成。加工行距设为０．２ｒａｍ，刀　

ｌ　

具转速３０００ｒｐｍ，切削进给率８００ｍｍ／ｍｉｎ，下切进给率　

ｌ　

一　

３００ｍｍ／ｍｉｎ，计算后形成刀具轨迹；③４轴清根加工：　

ｆ　

加工边界与３轴加工定义一致，选取侧面为加工曲面．　

Ｊ　

选择轮廓精加工策略．设置多重切削模式，最大下切步　

　

距设为０．５ｒａｍ．刀具转速３０００ｒｐｍ，切削进给率８００ｒａｍ／　

　

ａｒｉｎ，下切进给率３００ｍｍ／ｍｉｎ，因花生槽侧面交于轴心　

　

线．在刀轴定义界面将刀轴设置为朝向轴心线．即Ａ　

１６５　

・

数控机床世界・　

０００１１；　

＃４＝＃３：　

＃５＝＃ｌ＋＃２：　

Ｇ９０　Ｇ００　Ｚ＃４；　

变量名　定义　

螺纹半径　

螺纹铣刀半径　

螺纹螺距　

循环体判定条件　

刀具中心回转半径　

对应指定Ｉ的地址　

Ａ　

Ｂ　

Ｃ　

本例不调用赋值　

本例不调用赋值　

Ｆｉｇ．４　ＮＣ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ４　ａｘｉｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ键盘上的Ｃｔｒｌ键．　

复选３个刀具轨迹即可，但该种方法生成的程序不好检　

查，选择失误。程序有可能会不完全。　

（６）加工。将后置处理生成的３轴、４轴ＮＣ程序通　

过ＣＦ卡或数据线上传到机床，对刀使加工和编程的坐　

＃１　

＃２　

柏　

＃４　

＃５　

标系一致，即可调出程序进行加工。　

２．３半椭圆凸台、腰形槽、矩形槽、椭圆顶　

使用Ｐ０ｗｅｒＭＩＬＩＪ２０１０软件中的模型区域清除策略进　

行粗加工，使用三维偏置精加工策略进行精加工，参数　

设置类似花生槽的相应加工方法。生成ＮＣ程序后调入　

机床加工。　

２－　１９Ｈ７孔采用钻、扩、镗方式加工，手工编程即可。　

Ｍ３７ｘ１为非标螺纹。不能使用板牙应用Ｇ８４攻丝循　

环指令实现．应用ＰｏｗｅｒＭＩＬＬ２０１０软件编程较为复杂，　

可使用　２０单齿螺旋式螺纹铣刀，手工编制宏程序实　

现，采用主程序和子程序结构。程序清单如下：　

０００１０；　

Ｇ４０　Ｇ４９　Ｇ８０；　

Ｇ９１　Ｇ３０　Ｚ０；　

Ｍ６ＴＩＯ：（ＴＩＯ螺纹刀）　

Ｇ９０　Ｇ００　Ｇ５４　Ｘ３０　Ｙ０　Ｍ０３￥８００；　

Ｇ４３　Ｚ５０　Ｈ１０　Ｍ０８；　

Ｇ６５　Ｐ００１Ｉ　Ｌ２　ＡＩ７．８５　ＢＩＯ　ＣＩ：　（调用子程序０００１１　２　

次，变量赋值，第１刀铣削螺纹，第２刀自光）　

Ｍ０９：　

Ｇ９１　Ｇ２８　Ｚ０Ｍ０５；　

Ｍ３０：　

ｌ６６