王宏松，黃曉東，劉曉紅

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西九江 332007)

數(shù)控銑削中清根方法的研究

王宏松，黃曉東，劉曉紅

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西九江 332007)

為提高數(shù)控銑削加工效率和精度，縮短用戶選擇最優(yōu)加工方法的時間，分析清根區(qū)域求解的原理，并提出基于UG數(shù)控銑削加工的8種清根方法，通過滑塊的清根加工總結(jié)了各種方法的應(yīng)用場合和特點(diǎn)，結(jié)果表明:這些方法可以有效地解決各類零件的清根加工問題。

數(shù)控銑削;清根加工

在現(xiàn)代制造業(yè)中，數(shù)控銑削因加工零件精度高、生產(chǎn)效率高，特別適合加工復(fù)雜的輪廓表面等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和家電等制造業(yè)中。在數(shù)控銑削中，為縮短總的刀具軌跡路徑長度、提高加工效率，可考慮先用較大直徑的刀具在較短時間內(nèi)切除型腔的絕大部分材料即粗加工，后再用較小直徑的刀具去除粗加工后殘留部分的材料即精加工，利用不同尺寸的刀具來優(yōu)化刀具組合達(dá)到最終的形狀和尺寸及加工精度。

在大多數(shù)模具加工中，清根區(qū)域大部分在型腔邊界的拐角處、島嶼與型腔之間、島嶼之間，有很多呈現(xiàn)多樣化和不規(guī)則的尖角、圓角和鈍角等大小角度不同的過渡連接，它們可能出現(xiàn)在平面、斜面、曲面上［1］。文中基于UG多刀具組合加工方式，研究粗加工完成后對殘料進(jìn)行清根加工的刀軌生成方法和應(yīng)用場合。

1 清根區(qū)域的求解

在銑削加工中，刀具的選擇與生產(chǎn)效率息息相關(guān)，直徑較大的刀具，在較短的時間內(nèi)可以切去大量的材料，但在某些區(qū)域會留下加工不到的區(qū)域，如圖1所示的陰影部分為型腔壁之間和型腔壁與底面之間的加工盲區(qū)，并且刀具直徑越大，殘留區(qū)域面積越大;若選擇采用小直徑的刀具加工，雖然可以用一把刀具完成加工，但會使得刀路軌跡總長度顯著增加，加工時間明顯增加，使生產(chǎn)效率大大降低，成本明顯增加。解決該問題的一個方法是多刀具組合分工序加工方式，首先選用較大直徑的刀具對毛坯進(jìn)行粗加工，切除大部分材料，然后再用較小直徑的刀具對前面加工留下的殘留區(qū)域的材料進(jìn)行清根加工［2］。

圖1 壁面之間和壁面與底面間的殘料

2 滑塊零件的清根

清根是常用的加工工序，清根通常采用球頭刀，主要是把前面的加工中由于刀具直徑大的原因而沒有切除掉的余量加工掉。有兩種情況必須注意使用清根:一種情況是在大刀換小刀之前，避免小刀在型腔拐角處的切削量過大而進(jìn)給不能保持恒定速度;另外就是用于精加工前后，也是為了速度及加工出符合要求的圓角。清根的方法有很多，文中結(jié)合模具中滑塊零件的最后一道加工工序，對清根進(jìn)行深入的分析和探討。

2.1 零件加工工藝規(guī)劃

如圖2所示為模具滑塊零件，零件的最大外形尺寸為80 mm×55 mm×25 mm，屬于較簡單的零件，一次裝夾即可完成整個零件的加工，型腔的加工工藝規(guī)劃流程如表1所示。

圖2 滑塊零件

表1 加工規(guī)劃表

2.2 UG中清根的方法

清根的方法有許多種，文中利用UG NX8 CAM對滑塊零件最后一道清根工序用8種方法進(jìn)行分析和探討。

2.2.1 平面銑清根

平面銑是二維線框的銑削方式，首先定義程序、刀具、幾何體、加工方法4個子節(jié)點(diǎn)［3］，然后選擇面銑操作，選擇要清根的面，如圖3所示，根據(jù)清根區(qū)域求解的原理，整體開粗R0.8的刀具留下約為0.8 mm的余量，因此定義毛坯距離為1 mm，然后定義切削模式為輪廓加工、每刀深度為0.2 mm，生產(chǎn)刀軌如圖3所示。當(dāng)然如果覺得余量較大，刀具磨損過于嚴(yán)重，可以增加附加刀路達(dá)到清根的目的。

圖3 面銑清根

平面銑一般用于直壁零件的清根加工，面銑嚴(yán)格按照邊界定義走刀，因此不會產(chǎn)生過切現(xiàn)象，加工精度高，深受加工者的喜愛。

2.2.2 型腔銑清根

型腔銑是基于3D的加工方式，系統(tǒng)按照零件不同深度的截面形狀，來計算各層的刀具軌跡，在刀具軌跡的同一高度內(nèi)完成一層切削，遇到曲面時按照曲面的輪廓繞過，再降到另一個高度進(jìn)行下一層的切削。首先定義程序、刀具、幾何體、加工方法，然后創(chuàng)建型腔銑操作，指定切削區(qū)域為需清根區(qū)域，如圖4所示，然后定義切削模式為輪廓加工、將切削層的頂部定義到－12 mm處，根據(jù)清根區(qū)域求解的原理，整體開粗R0.8 mm的刀具留下約為0.8 mm的殘料，設(shè)定范圍深度為1 mm，定義每刀深度為0.2 mm，生產(chǎn)刀軌如圖4所示。如果精度達(dá)不到要求，也可以進(jìn)行多刀路清根。

圖4 型腔銑清根

2.3 參考刀具法清根

參考刀具是指以前一把刀具為參考，系統(tǒng)以設(shè)定的參考刀具來計算出未加工到的區(qū)域，進(jìn)而用現(xiàn)在的刀具來加工參考刀具未加工到的區(qū)域。復(fù)制第2.2節(jié)中的型腔銑操作并命名為CAVITY-MILL-1，進(jìn)入切削模參數(shù)/空間范圍，設(shè)置為一把D30的球刀做為參考刀具，重疊距離設(shè)為2 mm。生產(chǎn)刀軌如圖5所示。

圖5 參考刀具清根

當(dāng)然還可以利用基于IPW清根和基于層清根，這兩種清根方式一個是基于零件加工后的3D殘留，一種是基于層加工后的殘留的清根方式。從本質(zhì)上來講，參考刀只加工前一把刀具進(jìn)入不了的區(qū)域，凡是參考刀具能進(jìn)入的區(qū)域，無論事實上進(jìn)入不進(jìn)入，都不再加工;參考刀具不一定就是開粗的刀具，它可以只做參考作用，不真正用在之前的操作中［4］，因此參考刀法并不考慮上個操作由于切削深度留下的臺階殘料、刀路是否修剪過、是否忽略過小區(qū)域的刀軌等情況，它只考慮前一把刀即參考刀具無法進(jìn)入的區(qū)域，因此在清根過程中需要注意，以防撞刀事故的發(fā)生。與參考刀法相比，基于IPW的清根方法考慮到了前一個操作所留殘料的真實情況，以及一些忽略的區(qū)域，從而避免了很多扎刀的動作，具有很高的安全性，尤其是在復(fù)雜的零件加工中，但是參考刀法較IPW法具有運(yùn)算速度快、空刀數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)?；趯拥腎PW是UG高版本推出的，效率更高，自推出后，很少人運(yùn)用傳統(tǒng)的IPW加工了。

2.4 等高輪廓銑削清根

等高輪廓加工是型腔銑加工的一個特例，它對整個部件進(jìn)行輪廓的加工，或者指定陡峭空間范圍，以便僅對陡峭超過指定角度的區(qū)域進(jìn)行輪廓加工［5］。首先創(chuàng)建等高加工操作，指定切削區(qū)域，選擇要加工的面，如圖6紅色區(qū)域所示;定義每刀公共深度的距離為0.2 mm，進(jìn)入切削層，將切削層的頂部定義到－12 mm處，根據(jù)清根區(qū)域求解的原理，設(shè)定范圍深度為1 mm。生成刀軌如圖6所示。

圖6 等高輪廓銑清根

等高輪廓銑的刀軌樣式與型腔銑的輪廓銑削相類似，但是在進(jìn)退刀設(shè)置方面大大簡化，選定部件幾何體即可加工，此外還可以指定部件的幾何體的子集，以限制要切削的區(qū)域，使得加工更加靈活、簡潔方便。

2.5 固定軸輪廓銑曲面驅(qū)動法清根

固定軸曲面輪廓銑加工屬于三軸聯(lián)動加工，由驅(qū)動幾何體生成一次刀軌，并將一次刀軌沿刀具接近工件的方向進(jìn)行投影，同時考慮刀具的真實形狀，在零件幾何體表面產(chǎn)生二次刀軌。對于固定軸輪廓銑曲面驅(qū)動法清根，首先選擇驅(qū)動方法為曲面，然后選擇如圖7紅色曲面為驅(qū)動幾何體，指定切削方向、材料側(cè)，點(diǎn)“曲面%”設(shè)置起始步長%為85，結(jié)束步長%110;在驅(qū)動設(shè)置里面，定義切削模式為往復(fù)，步距數(shù)為20，生成刀軌如圖7所示。

圖7 曲面驅(qū)動法清根

曲面驅(qū)動法清根適合側(cè)壁是曲面的角落清根，曲面可以自由控制起點(diǎn)、終點(diǎn)、起點(diǎn)步長和終點(diǎn)步長，生成的刀路漂亮美觀，有很好的適用性。

2.6 固定軸輪廓銑邊界驅(qū)動法清根

對于固定軸輪廓銑邊界驅(qū)動法清根，首先選擇驅(qū)動方法為邊界，定義好邊界為曲線/邊模式、開放的，選擇面a的下邊界曲線，定義切削模式為輪廓加工，邊界偏置為－0.8，步距為0.2，附加刀路為10，生成刀軌如圖8所示。

圖8 邊界驅(qū)動法清根

邊界驅(qū)動法類似于平面銑中選擇曲線的方式，但邊界驅(qū)動法清根可以清除底面不平的區(qū)域的角落，因此用途更廣。

2.7 固定軸輪廓銑徑向切削法清根

對于徑向切削法清根，首先選擇驅(qū)動方法為徑向切削，類似邊界驅(qū)動法，定義好邊界為曲線/邊模式、開放的，選擇面b的下邊界曲線，定義切削模式為往復(fù)，材料側(cè)的條帶為－0.5，另一側(cè)的條帶為2，附加刀路為10，生成刀軌如圖9所示。

圖9 徑向切削法清根

徑向切削驅(qū)動方法允許使用指定的步距、帶寬和切削類型生成沿著并垂直于給定邊界的軌跡。因為曲面有曲率，此驅(qū)動方法一般也是用于創(chuàng)建清根操作以及帶有弧度的曲面加工。

2.8 固定軸輪廓清根法清根

對于清根法清根，首先選擇驅(qū)動方法為清根，指定清根區(qū)域，參考刀具為φ20，重疊距離設(shè)為2，其他參數(shù)默認(rèn)。生成刀軌如圖10所示。

圖10 清根法清根

清根驅(qū)動方法可用于:高速加工，精加工之前移除拐角中的多余材料，移除之前較大的球刀遺留下來的未切削的材料，它可以沿部件表面形成的凹角和凹部一次生成一層刀軌，為陡峭和非陡峭區(qū)域提供不同的切削模式。

3 結(jié)束語

對模具中滑塊零件進(jìn)行加工工藝規(guī)劃，重點(diǎn)對清角原理進(jìn)行分析，結(jié)合UGNX8軟件研究了清角的加工方法，通過分析可以得出，對于平底類的零件清角，面銑、型腔銑、等高輪廓加工比較適用;對于非平底類的零件，尤其是復(fù)雜曲面形狀，固定軸曲面輪廓銑的各種方法比較適用。通過對加工方法的優(yōu)化選擇，針對不同的零件，為數(shù)控編程人員提供更多的清根加工方法，提高了模具加工的質(zhì)量，縮短了模具的制造周期。

【1】吳世雄，李開柱.復(fù)雜型腔模具高速銑削拐角加工的研究現(xiàn)狀與分析［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010(9):234－235.

【2】安魯陵，周來水，王玉國，等.型腔邊界拐角精加工刀軌生成算法的研究［J］.中國機(jī)械工程，2005，16(24): 2188－2191.

【3】羅和喜.UGNX4中文版數(shù)控加工專家實例精講［M］.北京:中國青年出版社，2007.

【4】廖玉松.數(shù)控銑削中的半精加工［J］.機(jī)械制造，2007，45 (7):38－40.

【5】康文利，路世強(qiáng)，周學(xué)輝.基于UG的數(shù)控加工技術(shù)在模具精加工中的應(yīng)用工［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2008(4):85－88.

Study on Corner-milling Methods of CNC Milling

WANG Hongsong，HUANG Xiaodong，LIU Xiaohong
(School of Mechanical Engineering，Jiujiang Vocational and Technical College，Jiujiang Jiangxi 332007，China)

In order to improve the efficiency and precision of CNC milling，shorten the time which user choose the optimal processing methods，the solving principle of corner-milling zone was analyzed，eight methods of corner-milling based on UG software were proposed.Through the corner-milling of slider，the application occasions and characteristics of the various methods were summarized.The results show that these methods can be used to solve all kinds of corner-milling processing problems.

CNC milling;Corner-milling processing

TG54

B

1001－3881(2014)8－062－4

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.021

2013－02－08

王宏松 (1983—)，男，碩士，講師，主要研究方向為數(shù)字制造技術(shù)、快速模具制造。E－mail:whs1124@ 126.com。