劉勇，郭晟，賴嘯，劉存平

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000)

NX技術(shù)在模具型芯加工中的應(yīng)用

劉勇，郭晟，賴嘯，劉存平

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000)

結(jié)合典型曲面模具型芯零件，探索了其可變軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工程序的一般方法，進(jìn)行了復(fù)雜異形面型芯零件數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜異形面型芯零件的粗加工、固定軸曲面輪廓半精加工、可變軸曲面輪廓精加工，同時(shí)進(jìn)行了3D仿真驗(yàn)證，通過后處理生成了實(shí)際可執(zhí)行的可變軸數(shù)控加工程序，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較強(qiáng)的借鑒意義。

異形面型芯；數(shù)控加工工藝；固定軸曲面輪廓半精加工；3D仿真；可變軸數(shù)控加工

0 引言

數(shù)控加工是可編程的柔性加工方法，隨編程技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控加工在制造業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它的廣泛應(yīng)用使傳統(tǒng)的制造技術(shù)發(fā)生了根本性的改革與變化，其普及程度和水準(zhǔn)已越來(lái)越成為體現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)化水平和現(xiàn)代國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。

在數(shù)控技術(shù)中，其最重要的環(huán)節(jié)之一是零件加工程序的編制。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品趨向于復(fù)雜、精密，NC代碼也隨之越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的編程方式是靠手工編程，已難以適應(yīng)龐大的程序編碼，特別對(duì)于精密度高且型面復(fù)雜的模具產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，往往是單件小批量生產(chǎn)，常常是編程時(shí)間遠(yuǎn)大于加工時(shí)間，此時(shí)編程的效率已成為影響總體效率的關(guān)鍵因素之一，靠手工編程已無(wú)法滿足復(fù)雜零件數(shù)控加工的需求。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使先進(jìn)的綜合性CAD/CAE/CAM集成軟件大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，能勝任現(xiàn)代復(fù)雜零件的數(shù)控編程要求，能縮短產(chǎn)品從開發(fā)設(shè)計(jì)到制造的周期，能大大提高工件的表面品質(zhì)與加工精度，可以大幅度減少加工時(shí)間，并且能極大地簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝流程，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

NX(原UG)系列軟件是當(dāng)前世界主流CAD/CAE/CAM軟件之一，在模具數(shù)控加工方面功能強(qiáng)大，被當(dāng)今全球工業(yè)界廣泛應(yīng)用于數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造及工程仿真等各個(gè)領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面的數(shù)控自編程加工與3D模擬。

1 UGNX數(shù)控編程的基本流程

UGNX軟件在業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用，如何高效地使用UGNX，是許多工程技術(shù)與科技人員共有的中心工作之一，而其加工模塊功能強(qiáng)大。要較好地在工程實(shí)踐中應(yīng)用此軟件進(jìn)行虛擬制造，很有必要對(duì)UGNX的CAM模塊的工作原理有一個(gè)清晰的了解，其工作流程如下：

a) 創(chuàng)三維實(shí)體模型：UGNX主要有三種創(chuàng)建實(shí)體模型的方法與途徑。

1) 利用軟件自帶的CAD創(chuàng)建三維實(shí)體模型；

2) 將其他CAD軟件創(chuàng)建的三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換成UG/CAM模塊能識(shí)別的類型；

3) 以實(shí)物模型通過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x獲得數(shù)據(jù)文件后轉(zhuǎn)換成UG格式的三維實(shí)體模型。

b) 前處理：UGNX要進(jìn)行加工環(huán)境初始化、加工對(duì)象父節(jié)點(diǎn)的建立、生成刀軌等前處理。在此段工作流程中，主要完成選取恰當(dāng)?shù)募庸し绞?、選定加工區(qū)域、定義加工參數(shù)和切削路徑、合理選取刀具類型、刀具參數(shù)及切削用量并仿真驗(yàn)證刀軌等工作。

c) 后處理：主要工作是完成構(gòu)造數(shù)控機(jī)床、定義數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼，并將定義的刀軌轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工設(shè)備能識(shí)別的數(shù)控加工程序。

UGNX/CAM基于特征的自動(dòng)化編程可以縮短20%以上的數(shù)控編程時(shí)間，要有效利用UGNX軟件生成合理的數(shù)控加工程序，必須要確定合理的工藝方案和走刀路線，設(shè)定合適的相應(yīng)參數(shù)。

2 異形面型芯加工工藝方案的確定

零件如圖1所示，此型芯的材料采用合金鋼，熱處理后的硬度為45HRC左右，可以直接加工。零件表面由一些形狀復(fù)雜的異形曲面構(gòu)成，表面精度要求比較高，且有弧面凹槽。毛坯為正方體，根據(jù)零件特征與毛坯形狀，設(shè)計(jì)的加工工藝方案如表1所示。

圖1 異形面型芯

工步號(hào)工步名稱工步內(nèi)容所用刀具進(jìn)給速度/(mm/min)主軸轉(zhuǎn)速/(r/min)1粗加工粗加工,留余量0.8mmD32(R5)3006002半精加工半精銑異形曲面,留余量0.3mm球刀R515015003精加工精加工至尺寸球頭棒合金刀銑刀R2.5602500

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是UGNX數(shù)控加工的重要內(nèi)容，在數(shù)控加工中，能否加工出品質(zhì)好的產(chǎn)品，主要取決于編程人員對(duì)工藝與參數(shù)的合理設(shè)置，這也是提高編程品質(zhì)與效率的關(guān)鍵。

3.1 零件粗加工

型腔銑(Cavity Milling)是常用的一種粗加工方法，主要是粗加工型腔或型芯區(qū)域，特別適用于需大量切除毛坯余量的場(chǎng)合。根據(jù)型腔或型芯的形狀將要切除的部位在深度方向上分成多個(gè)切削層進(jìn)行加工，每層的切深可以指定不同的值。切削時(shí)要求刀具軸線與切削層垂直。此零件采用跟隨零件型芯走刀的型腔銑進(jìn)行零件的粗加工。

圖2 粗加工刀軌

圖3 粗加工過程

3.2 固定軸輪廓銑半精加工

利用UG軟件提供的豐富的固定軸輪廓銑來(lái)進(jìn)行半精加工，可以有效地清除粗加工殘余材料。固定軸區(qū)域輪廓銑有多種驅(qū)動(dòng)方式，此處采用[曲線/邊]的邊界驅(qū)動(dòng)模式(在建模下作一以下底面中心為圓心、110為半徑的圓作為驅(qū)動(dòng)邊界)，如圖4所示。UGNX固定軸銑加工最常用的走刀方式有沿截面方向走刀、沿切削方向走刀、環(huán)切走刀等幾種，對(duì)于精度要求較高的模具類零件，其表面成形常用后兩種能保持工藝系統(tǒng)的剛性與穩(wěn)定性，而其中當(dāng)采用沿切削方向走刀時(shí)效率較高，但當(dāng)加工曲面陡峭時(shí)表面殘余會(huì)對(duì)行距很敏感，其刀軌如圖5所示。為有好的表面加工品質(zhì)又有較大的生產(chǎn)效率，在此選擇環(huán)切進(jìn)刀方式，能獲得較優(yōu)的效果，其加工仿真如圖6所示。

圖4 [曲線/邊]驅(qū)動(dòng)方式

圖5 沿切削方向走刀刀軌

圖6 環(huán)切方式2D仿真效果

3.3 異形面模型精加工

圖7 固定軸輪廓銑精加工刀軌

因模型為精密件，還需安排后續(xù)的精加工。為提高工藝剛性，在此采用球頭棒合金刀銑刀R2.5，不易產(chǎn)生彈性，加工品質(zhì)最好。先采用固定軸輪廓銑精加工，余量設(shè)為0，內(nèi)外公差為0.01mm，采用高速切削，進(jìn)給量f為60mm/min主軸轉(zhuǎn)速S為2500r/min，根據(jù)NX數(shù)控編程流程，設(shè)計(jì)好刀軌，并進(jìn)行仿真，其動(dòng)態(tài)刀軌如圖7所示，由生成的刀軸可知，采用固定軸輪廓銑在異形弧面凹槽處無(wú)法進(jìn)行加工(如圖8所示)。為解決此問題，根據(jù)零件特點(diǎn)，必須采用多軸聯(lián)動(dòng)加工方能滿足加工要求。

圖8 固定軸輪廓銑精加工3D仿真效果

3.4 多軸聯(lián)動(dòng)精加工

多軸加工又稱為變軸加工，加工具有較為復(fù)雜曲面的工件時(shí)是主要的數(shù)控加工方式，通過多軸聯(lián)動(dòng)可以加工出比三軸聯(lián)動(dòng)質(zhì)量更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的型面，在飛機(jī)、模具和汽車等行業(yè)的特殊加工中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。變軸加工可以讓刀具沿零件面法向傾斜，從而能大大改善切削條件；通過多軸加工中的坐標(biāo)變換，用更短的刀具從不同方位加工零件，使刀具剛性得到增加，同時(shí)能達(dá)成一次裝夾完成對(duì)整個(gè)零件不同部位的加工，提高了定位精度，減少了輔助性時(shí)間。

選用合適的驅(qū)動(dòng)類型和刀軸控制方式是變軸加工刀軌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。UG軟件的變軸加工驅(qū)動(dòng)類型多樣，須根據(jù)加工對(duì)象表面形狀與復(fù)雜度來(lái)具體選用，本異形面型芯加工選用曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)類型，以“垂直于驅(qū)動(dòng)”來(lái)控制刀軸，投影矢量為I,J,K(0,0,-1);以“退刀”方式來(lái)進(jìn)行“過切檢查”， 進(jìn)給量f為200mm/min，主軸轉(zhuǎn)速S為20000r/min，進(jìn)行NX數(shù)控加工模擬仿真分析，異形面及弧面凹槽的變軸加工模擬仿真效果如圖9及圖10所示，可以明顯看到，零件各曲面的加工已達(dá)到相當(dāng)好的效果。

4 后置處理

先在操作導(dǎo)航器中按照加工的先后順序?qū)⒓庸げ僮髯庸?jié)點(diǎn)進(jìn)行排列，對(duì)整個(gè)加工過程進(jìn)行2D、3D仿真模擬，從仿真的結(jié)果來(lái)看，以此數(shù)控工藝方案加工出的本異形面型芯零件的效果較好。其中部分NC程序如下。

圖9 異形面型芯變軸加工過程

圖10 異形面型芯變軸加工3D仿真效果

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代模具零件精度要求越來(lái)越高，零件結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的模具制造方式已無(wú)法適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，模具CAD/CAM技術(shù)成為解決模具制造中薄弱環(huán)節(jié)的有效途徑。本異形面型芯零件的加工綜合運(yùn)用了數(shù)控加工工藝手段，特別是可變軸加工，滿足了此類零件的加工制作要求，改進(jìn)了曲面加工品質(zhì)，減少了數(shù)控機(jī)床的加工時(shí)間和成本，提高加工效率，較大地縮短了模具生產(chǎn)周期。

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Technology of NX in the Mold Core Processing

LIU Yong，GUO Sheng，LAI Xiao, LIU Cun-ping

(Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644000, China)

This paper takes the typical surface mold core parts to explore the variable axis NC machining program and designs the CNC machining process of the core parts with Complex contoured surface to achieve the roughing, the fixed shaft surface profile semi-finishing, variable axis surface contour finishing and completes 3D simulation at the same time. The actual executable variable-axis CNC machining process is generated by the post-processing, which gives a strong reference to the actual production.

core with contoured surface; NC machining process; semi-finishing of fixed contour; 3D simulation; variable axis NC machining

劉勇(1986-),男，四川瀘州人，講師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向：模具數(shù)控加工技術(shù)。

TH164

A

1671-5276(2014)02-0213-04

2013-01-27