基于UG的精密凹槽零件數(shù)控加工

蓋立武1,2，郭旭紅2

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215104；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215021)

摘要：凹槽類(lèi)零件由于切削加工區(qū)域是封閉的，銑削加工時(shí)刀具的Z向抗力大、排屑困難，刀具容易損壞，工件的質(zhì)量也不易保證，因此凹槽類(lèi)零件的精密加工一直是數(shù)控加工中的一個(gè)難點(diǎn)。針對(duì)凹槽類(lèi)零件的這種加工特點(diǎn)，以某典型凹槽零件為例，應(yīng)用UG軟件從銑削加工中刀具的下刀方式、加工類(lèi)型等方面著手，研究了基于UG凹槽類(lèi)零件的精密加工技術(shù)。解決了凹槽類(lèi)零件加工中刀具容易損壞、質(zhì)量不易控制的難點(diǎn)，為工程中同類(lèi)零件的數(shù)控加工提供了一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：凹槽；數(shù)控加工；刀具路徑

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0137-03

收稿日期：2015-04-13；修回日期：2015-05-11

作者簡(jiǎn)介：蓋立武(1979—),男，山東滕州人，蘇州市職業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事數(shù)控加工技術(shù)的教學(xué)和科研工作，(E-mail)glw@jssvc.edu.cn。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH166；TG659

The Digital Control Processing of Components of Precise Recessive Groove Based on UG

GAI Li-wu1,2，GUO Xu-hong2

(1.Mechanical and Electronic Engineering Department,Suzhou Vocational University,Suzhou Jiangsu 215104，China;2.Mechanical & Electronic Engineering,College of Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China)

Abstract：Due to the confinement of cutting processing area of the components of recessive groove,elevated resistance in Z-vector of cutting knife as well as difficulty in chip removal,the cutting tools are subject to being damaged and the qualities of the work-piece are also out of guarantee.Therefore the precise processing of the components of recessive grooves is always one of the knobs in the digital control processing.Aiming at the processing characteristics of recessive groove’s components and taking some typical one as an example,the researcher adopted UG software to study the precise processing technique based on components of UG recessive groove from the cutting way of milling processing and its processing types.Since the problems of cutting tools and uncontrollability of quality have been shot, referential value has been provided for the digital processing of components in the similar engineering.

Key words：recessive groove;NC machining;tool path

0引言

數(shù)控加工中經(jīng)常遇到一些精密凹槽零件，凹槽類(lèi)零件的加工較開(kāi)放區(qū)域的加工困難，切削加工時(shí)刀具容易扎刀，工件的質(zhì)量也難保證[1-2]。針對(duì)凹槽零件的這種加工特點(diǎn)，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)主要是采用高速銑減少切削力的方法來(lái)防止刀具損壞和保證加工零件的表面粗糙度，這種采用高速銑的方法近年來(lái)也在國(guó)內(nèi)也逐步采用，但采用這種方法對(duì)機(jī)床和整個(gè)的工藝系統(tǒng)要求較高，造成零件的生產(chǎn)成本也較高。本文利用UG軟件從數(shù)控加工的下刀方式、加工路線設(shè)計(jì)和切削用量設(shè)置等方面著手，研究了在普通工藝范圍內(nèi)精密凹槽類(lèi)零件的數(shù)控加工，較好的解決了精密凹槽類(lèi)零件數(shù)控加工的難題，為工程中同類(lèi)零件的加工提供了一定的參考價(jià)值。

1凹槽零件CAD建模

某凹槽零件材料為45號(hào)鋼，按照小批量的生產(chǎn)要求編程，零件圖見(jiàn)圖1所示。

圖1　凹槽零件二維零件圖

UG軟件的CAD功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行復(fù)雜的三維造型和曲面設(shè)計(jì)。在本實(shí)例中利用UG的草圖工具繪出凹槽零件的基本草圖，然后再通過(guò)拉伸、鏡像、倒斜角、孔特征、邊倒圓和布爾運(yùn)算等命令，完成凹槽零件的三維實(shí)體造型，如圖2所示。

圖2　凹槽零件三維實(shí)體造型

2凹槽零件數(shù)控加工設(shè)計(jì)

2.1加工工藝分析

從圖1和圖2可以看出該零件有外形、孔、槽和曲面四個(gè)加工要素。其中外形的加工條件較好，最小凹圓角為8mm，因此可以選用較大直徑的立銑刀來(lái)加工。兩個(gè)孔直徑為12mm且為通孔，切削加工性也較好。第一層輪廓上的邊倒圓和倒斜角屬于曲面的加工范疇，在加工時(shí)主要考慮的是刀具和工件的干涉問(wèn)題，防止過(guò)切的產(chǎn)生。中間的三個(gè)槽形狀復(fù)雜、尺寸緊湊，切削加工條件不好，是這個(gè)零件加工的難點(diǎn)。根據(jù)以上分析對(duì)凹槽零件的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　凹槽零件加工工藝設(shè)計(jì)

2.2第一次粗加工

圖3　第一次粗加工刀具路徑

在這一個(gè)階段應(yīng)能大量去除毛坯的材料，為精加工做好準(zhǔn)備[3-4]。為此應(yīng)盡量選擇大的刀具直徑、大的切深、較快的進(jìn)給速度，以及相適應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速。在本例中凹槽零件外輪廓最小的凹圓角為R8mm,為了能盡可能多的把粗加工余量切除掉，刀具直徑的選擇要小于16mm,在這里選擇φ15mm的立銑刀作為第一次粗加工的刀具。切削用量如表1所示，加工類(lèi)型為型腔銑(Cavity mill)，選擇整個(gè)部件為切削加工區(qū)域。切削模式為跟隨部件，步距為刀具直徑的70%,由于刀具直徑大于零件頂面上的槽和孔的最大尺寸，因此在這次加工中，φ15mm的立銑刀不涉及槽和孔的加工，切削全在開(kāi)放區(qū)域進(jìn)行。第一次粗加工刀具路徑如圖3所示。

2.3第二次粗加工

第一次粗加工后，零件外形的粗加工余量得到切除。由于刀具直徑的限制，頂面的三個(gè)槽、φ12的孔還沒(méi)有加工，需再經(jīng)過(guò)一次粗加工才能把粗加工余量切除完。頂面槽的最小間距為7mm,因此第二次粗加工選擇φ6mm鍵槽刀，切削加工類(lèi)型也為型腔銑(Cavitymill)，并以第一次粗加工刀具φ15mm的立銑刀作為參考刀具。由于此次加工屬于封閉區(qū)域的加工，立銑刀在Z向進(jìn)刀時(shí)刀具中心的切削速度為零，刀具易產(chǎn)生扎刀現(xiàn)象，造成刀具的損壞。因此刀具的Z向進(jìn)刀要避免插削，進(jìn)給速度要慢些，這里選擇螺旋進(jìn)刀，Z向進(jìn)刀設(shè)為60mm/min.其余設(shè)置和第一次粗加工設(shè)置相同。第二次粗加工刀具路徑見(jiàn)圖4所示。

圖4　第二次粗加工刀具路徑

這種粗加工方法雖然采用了兩把刀具，分兩次進(jìn)行，但由于φ15mm的立銑刀的切削效率是φ6mm鍵槽刀的兩倍多，因此加工效率比只采用φ6mm鍵槽刀大大提高。

2.4二維輪廓精加工

此工步為外形的加工，刀具直徑的選擇主要受到外形凹圓角R8和零件上表面大凹槽上尺寸44和R11間距的限制。綜合考慮選擇φ10立銑刀作為二維輪廓的精加工刀具[5-6]。加工類(lèi)型選擇平面輪廓銑(Planar profile),切削方向?yàn)轫樸姡邢黜樞蛟O(shè)置為層優(yōu)先，刀路設(shè)置為光順，進(jìn)刀類(lèi)型設(shè)置為圓弧進(jìn)刀。由于零件輪廓的側(cè)壁余量只有0.2mm,為了減少接刀痕，Z向的進(jìn)刀深度設(shè)置為5mm,二維輪廓精加工刀具路徑見(jiàn)圖5所示。

圖5　二維輪廓精加工刀具路徑

2.5孔精加工

加工中心上孔的精加工主要通過(guò)鉸削和銑削來(lái)實(shí)現(xiàn),鉸孔主要用在大批量、高精度孔的加工中；銑削由于刀具通用性強(qiáng)，在機(jī)床精度允許的情況下也可以完成孔的精加工，因此在中、小批量孔的精加工中得到廣泛的應(yīng)用。在本例中根據(jù)φ12孔的精度等級(jí)和機(jī)床插補(bǔ)的精度，選用φ10的立銑刀，用銑削的方法完成孔的精加工。加工類(lèi)型選擇平面輪廓銑(Planar profile)采用螺旋的進(jìn)刀方式，切削順序設(shè)置為深度優(yōu)先。φ12孔的精加工刀具路徑見(jiàn)如圖6所示。

圖6　孔精加工刀具路徑

2.6平面精加工

此工步是平面的加工，刀具類(lèi)型選擇立銑刀，刀具直徑的選擇主要受到大凹槽上尺寸44和R11間距的限制，這里為了減少精加工刀具的換刀次數(shù)，綜合考慮選擇φ10的立銑刀作為凹槽零件平面的精加工刀具。加工類(lèi)型為平面銑(Face milling area),切削模式為跟隨周邊，步距為刀具直徑的70%，進(jìn)刀類(lèi)型選擇為線性。圖7是凹槽零件的平面加工刀具路徑。

圖7　平面精加工刀具路徑

2.7凹槽精加工

零件上表面的3個(gè)凹槽形狀復(fù)雜，尺寸緊湊，是這個(gè)零件加工的難點(diǎn)。刀具直徑的選擇主要受到最小凹槽間距的限制，凹槽的最小間距尺寸是7mm,這里選擇φ6mm的鍵槽刀作為凹槽的精加工刀具，加工類(lèi)型為平面銑(Face milling area)，為了減少刀具的Z向抗力，提高形位精度，采用螺旋的下刀方式，切削模式為跟隨部件，起鉆點(diǎn)設(shè)置在槽的中間位置，切削順序選擇深度優(yōu)先。凹槽的精加工刀具路徑見(jiàn)圖8所示。

圖8　凹槽精加工刀具路徑

2.8曲面精加工

曲面精加工一般選用球頭刀作為精加工刀具，刀具直徑的選擇和曲面的最小曲率半徑有關(guān)[7-8]。這里選用φ5mm的球頭刀作為凹槽零件曲面部分的精加工刀具，加工類(lèi)型為深度輪廓銑(Zlevel profile),進(jìn)刀類(lèi)型為圓弧進(jìn)刀，切削順序選擇深度優(yōu)先，刀路設(shè)置為光順。曲面精加工的刀具路徑見(jiàn)圖9所示。

圖9　曲面精加工刀具路徑

2.9實(shí)體切削仿真和加工

生成凹槽零件的刀具路徑后，利用UG軟件的加工模擬功能，能夠模擬零件的加工過(guò)程?？梢灾庇^的觀察刀具的走刀路線是否合理，加工過(guò)程中是否有碰撞產(chǎn)生等。仿真結(jié)束后，還可以通過(guò)觀察工件的顏色判斷工件是否有過(guò)切或欠切產(chǎn)生。通過(guò)UG軟件的實(shí)體切削仿真功能可以大大減少加工過(guò)程中的失誤，提高程序的安全性。

仿真驗(yàn)證后，選中刀位軌跡,使用UG軟件的后處理功能,導(dǎo)入HAAS vf3機(jī)床的專(zhuān)用后處理文件,生成數(shù)控加工代碼了,然后通過(guò)數(shù)據(jù)線將程序傳輸給機(jī)床進(jìn)行操作加工。小批量生產(chǎn)顯示：該工藝加工效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，程序編制合理[9-11]。凹槽零件的加工實(shí)物見(jiàn)圖10所示。

圖10　凹槽零件加工實(shí)物圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文為凹槽類(lèi)零件的加工提供了一般的方法和步驟；根據(jù)凹槽零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了合理的加工工藝，然后應(yīng)用UG軟件的CAM功能生成了刀具路徑和數(shù)控程序，通過(guò)在HAAS vf3機(jī)床上的實(shí)際加工驗(yàn)證了數(shù)控程序的合理性。解決了凹槽類(lèi)零件加工中刀具容易扎刀、質(zhì)量不易控制的難點(diǎn)，為工程中同類(lèi)零件的數(shù)控加工提供了一定的參考價(jià)值。

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(編輯李秀敏)