德州聯(lián)合石油機(jī)械有限公司 (山東 253034)侯祖剛 駱亞敏 王宗雷

模具加工在我國起步較晚，即使一些大型的工廠和職業(yè)院校，也缺少這方面的人才和經(jīng)驗(yàn)。高端設(shè)備面前，編程員只能摸著石頭過河，走一步，看一步，繞了很多彎路，也交了不少學(xué)費(fèi)。加工中心不同于普通機(jī)床，曲面切削過程中的機(jī)床動(dòng)作和刀具路徑全部由數(shù)控程序自動(dòng)控制完成。在高附加值模具的單件和小批量加工中，編程效率(圖樣轉(zhuǎn)化為程序的時(shí)間和速度)，直接決定著設(shè)備利用率和生產(chǎn)進(jìn)度。

1.曲面編程基礎(chǔ)

模具加工難在編程，尤其是較為復(fù)雜的曲面編程，基本上只有兩條路可走，一是宏程序，二是CAM 軟件。工廠中隨處可見UG、MasterCAM 等世界知名軟件的身影，精通宏程序的高手卻為數(shù)不多。受此影響，編程人員過分依賴CAM 軟件，手工編程只是簡單地掌握一些基本的指令。宏程序的優(yōu)點(diǎn)是短小精悍，適用性強(qiáng)。只要是有規(guī)律的特征曲面，變量之間能夠建立正確的數(shù)學(xué)方程式和邏輯關(guān)系，都可以使用宏程序快捷編程。相同或類似的一組加工特征，只需做出一個(gè)，就可以使用旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等幾何變換功能做出另外幾個(gè)。數(shù)控系統(tǒng)自帶的切削循環(huán)，子程序調(diào)用，刀具半徑補(bǔ)償?shù)纫恍└呒?jí)編程功能都有著自己的獨(dú)到之處，運(yùn)用好了，可以取得事半功倍的效果。

如果曲面的數(shù)學(xué)方程過于復(fù)雜甚至無法表示，就要借助于編程軟件，從工件建模到加工路徑，全部交與軟件完成。CAM 軟件是數(shù)控編程的發(fā)展趨勢，在高難度的模具曲面中具有不可替代的優(yōu)勢。實(shí)踐告訴我們，曲面的編程思路與其建模方式基本一致，學(xué)習(xí)并掌握正確的建模方法是做好曲面編程的第一步。建模中用到的草圖曲線和實(shí)體特征往往就是編程時(shí)的刀具路徑，下面是幾種常見模具曲面的編程思路。

(1)拉伸曲面(見圖1)?；緢D素沿特定方向拉伸生成的曲面，數(shù)控加工多采用平行銑削的方法。首先計(jì)算出基本曲線的刀具路徑，沿曲面拉伸方向，以設(shè)定的角度和距離分層銑削，是典型的兩軸半加工，對(duì)設(shè)備要求不高。如果遇到很難用方程式表達(dá)的非圓曲線，可以先用CAM 軟件做出由等分直線段組成的曲線路徑，儲(chǔ)存為子程序，再用宏程序做出刀具路徑的進(jìn)給規(guī)律，通過調(diào)整步進(jìn)值大小既可以達(dá)到控制曲面粗糙度值的目的。

(2)旋轉(zhuǎn)曲面(見圖2)?；緢D素繞旋轉(zhuǎn)軸生成的曲面，此時(shí)應(yīng)充分使用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置的G02/G03 功能，將旋轉(zhuǎn)曲線按角度或長度等分成數(shù)個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，直接用圓弧插補(bǔ)編程，避免軟件編程中用G01直線段擬合曲線的繁瑣和誤差。旋轉(zhuǎn)曲面以球面和圓錐面最為典型，此時(shí)可使用全圓路徑編程，以流線刀路的螺旋線切削方式最為合理，刀路一氣呵成，沒有進(jìn)退刀和切入切出痕跡，表面質(zhì)量很好。在這一方面，宏程序有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

圖1 拉伸曲面

圖2 旋轉(zhuǎn)曲面

(3)掃描曲面(見圖3)?；緢D素沿特征曲線延伸生成的曲面，以螺旋曲面最為典型，截面輪廓沿螺旋線軌跡進(jìn)行有規(guī)律地扭曲和運(yùn)動(dòng)。螺旋線可以用宏程序控制，復(fù)雜的截面輪廓可以借助于CAM 軟件完成，在四軸聯(lián)動(dòng)的加工中心上采用增量進(jìn)給、分層銑削的方法，即可完成掃描曲面的編程與加工。

(4)不規(guī)則曲面(見圖4)。放樣、邊界、網(wǎng)格等很難用數(shù)學(xué)方程式表達(dá)的復(fù)雜曲面，統(tǒng)稱為不規(guī)則曲面。此時(shí)，必須借助于CAM 軟件，編程的重點(diǎn)是正確建模，模型正確了，程序就對(duì)了一半，刀具路徑的選擇也很重要，根據(jù)曲面的形狀特征，選擇最佳的切削刀具和走刀路線，確保加工質(zhì)量。以UG為主導(dǎo)的CAD/CAM 一體化軟件已被許多模具制造商所采用，曲面越復(fù)雜，軟件編程的優(yōu)勢越明顯。不足之處是需要專業(yè)的正版軟件，企業(yè)一次性投入太大。

圖3 掃描曲面

圖4 不規(guī)則曲面

(5)輪廓倒角(見圖5)。工件輪廓的圓角和斜角使用宏程序編程比較簡單。在沒有仿形刀具的前提下，可以采用球頭銑刀擬合曲面的方法，利用刀具的半徑補(bǔ)償功能(G41/G42)，將補(bǔ)償值(D)設(shè)定為相關(guān)的系統(tǒng)變量，倒角按深度值，圓角按角度值建立變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。隨著倒角截面的曲線變化規(guī)律，改變刀具的半徑補(bǔ)償值和進(jìn)刀深度值，重復(fù)執(zhí)行工件輪廓的加工軌跡即可得到圓滑過渡的倒角曲面。

圖5 輪廓倒角

2.綜合編程實(shí)例

運(yùn)用三維軟件，可以輕松創(chuàng)建一般的二次曲面。但怎樣靈活運(yùn)用這些曲面模型來編制數(shù)控程序并不是一件容易的事情，程序質(zhì)量很大程度上取決于編程員的加工方案和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。尤其是一些較為復(fù)雜的模具曲面，用軟件編程，程序太長，用宏程序編程，難度較大，作為兩種截然不同的編程方法，使用者各持己見，誤導(dǎo)了很多初學(xué)者。能否取長補(bǔ)短，綜合運(yùn)用?答案是肯定的。通過下面的實(shí)例可以學(xué)習(xí)宏程序與CAM 軟件的綜合編程思路，快速掌握模具加工中提高曲面編程效率的方法與技巧。

塑料瓶模具中，有一種螺旋狀模芯(見圖6)，外圓已精車至成品尺寸，螺旋輪廓需進(jìn)行銑削和光整加工。CAM 軟件在允許的誤差范圍內(nèi)，用微小的直線段去逼近曲面(見圖7)。看上去應(yīng)該沒有什么問題，但如果整個(gè)曲面編程全部由軟件來做，程序?qū)⒎浅｝嫶?，低配置的?shù)控系統(tǒng)難以容納。集中宏程序和CAM 軟件的編程優(yōu)點(diǎn)，對(duì)加工曲面進(jìn)行必要的定義和分解，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，縮短程序長度，從而達(dá)到提高編程效率的目的。

圖6 模芯立體圖

圖7 螺旋曲面分解后的基本圖素

根據(jù)本例中螺旋曲面的掃描特征，將其分解為YZ 平面的截面曲線和X 軸方向的引導(dǎo)螺旋線(見圖7)，截面由5 組相同的非圓曲線組成(見圖8)，很難用簡捷的數(shù)學(xué)公式表達(dá)清楚。我們可以采用傳統(tǒng)的曲線分解方法，將其等分為幾百條0.2～0.3mm 的直線段，等分線段越短，輪廓精度就越準(zhǔn)確。選擇CAM 軟件的2D 加工路徑，定義合適的球頭銑刀和加工參數(shù)，生成等分線段串聯(lián)后的刀具加工軌跡(見圖9)，后處理為機(jī)床可以接受NC 程序，即完成截面輪廓的路徑編程。引導(dǎo)螺旋線有著固定的導(dǎo)程和長度，X 軸和A 軸的移動(dòng)可以設(shè)定為增量值，通過系統(tǒng)變量予以控制，軟件與宏程序融匯在一起，大幅提升編程速度。

圖8 截面輪廓圖

圖9 曲線等分及刀具加工軌跡

現(xiàn)有的加工中心是在立式數(shù)控銑床的基礎(chǔ)上增加一旋轉(zhuǎn)分度頭，軸線與X 軸重合，設(shè)定為A 軸(只能用于分度定位，不能與其他坐標(biāo)軸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng))。工件以卡頂方式安裝于分度頭卡盤，調(diào)用加工程序完成一組輪廓曲面的銑削后，分度頭移動(dòng)72°，重復(fù)加工另外4 組，在幾乎不增加程序長度的前提下，實(shí)現(xiàn)全部曲面的銑削加工。為簡化程序，減少編程和調(diào)試時(shí)間，程序選用沿輪廓曲線分層銑削的刀具路徑。

設(shè)工件左端面與X 軸中心線交點(diǎn)為G54 坐標(biāo)系原點(diǎn)，選用R8mm 球頭銑刀，以球心為刀位點(diǎn)，加工程序如下:

編程技巧:上述程序中，球頭銑刀在YZ 平面內(nèi)沿輪廓曲線A—B 段銑削，加工路徑沿螺旋線方向分層進(jìn)給。特點(diǎn)是編程簡單，思路清晰，只需逐點(diǎn)描述出截面輪廓線的加工軌跡，賦予合適的切削參數(shù)，即可得到連續(xù)流暢的刀路。刀具在A 點(diǎn)切入，B 點(diǎn)切出，再快速返回到A 點(diǎn)，沿螺旋線做分層進(jìn)給，保持單向順銑加工。為簡化程序，將其編制為輪廓線銑削子程序O1010，刀具沿截面輪廓執(zhí)行一個(gè)切削循環(huán)(M98 P1010)，X 軸和A 軸沿螺旋線前進(jìn)一個(gè)步距(G91G01 A#11 F300;X#21)，直到螺旋曲面的X軸終點(diǎn)尺寸(#24)。程序的巧妙之處在于截面曲線與螺旋曲線的有效結(jié)合，截面線由CAM 軟件來做，螺旋線由宏程序來做，相對(duì)于傳統(tǒng)的軟件編程，程序長度縮短了幾十倍，修改和調(diào)試也更加方便。經(jīng)實(shí)際加工，模芯的螺旋輪廓基本上可以達(dá)到圖樣技術(shù)要求，不足之處是加工表面留有輕微的魚鱗狀刀痕，減小螺旋線方向的分層進(jìn)給值，并適當(dāng)增加輪廓曲線的等分段數(shù)，可明顯改善表面質(zhì)量。在兼顧生產(chǎn)效率的前提下，也可采用砂帶拋光的方法，快速去除加工刀痕，獲得光滑柔順的模具曲面。

3.結(jié)語

實(shí)踐證明，在模具曲面編程中，CAM 軟件和宏程序都有著自己的特長和優(yōu)勢，前者傾注于建模和刀具路徑，后者側(cè)重于實(shí)踐和加工路線，優(yōu)缺點(diǎn)正好互補(bǔ)。只要我們掌握了曲面的基本圖素，從最簡單的截面輪廓和特征曲線做起，難度大、無規(guī)律的用軟件來做，難度小、有規(guī)律的用宏程序來做，兩者合一，發(fā)揮出曲面編程的最大效率。