郭 晟，賴 嘯，劉存平，劉 勇

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644000)

0 引言

在當(dāng)代制造業(yè)中，處于基礎(chǔ)性地位的應(yīng)屬數(shù)控技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，普通機(jī)械制造被數(shù)控加工滲透，從而產(chǎn)生了CAD/CAM/CAE綜合技術(shù)，數(shù)控技術(shù)成為制造業(yè)的內(nèi)核，給企業(yè)生產(chǎn)帶來了顯著的效益，也從根本上改變了全球制造業(yè)的基本特征與面貌，其應(yīng)用水平的高低成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)技能水平的重要標(biāo)志，直接影響到國(guó)家的地位與進(jìn)步。

數(shù)控技術(shù)中加工程序的編制是極其重要的環(huán)節(jié)，但隨著生產(chǎn)零件越來越復(fù)雜，數(shù)控機(jī)床的性能也日新月異，傳統(tǒng)的編程方式已經(jīng)跟不上形勢(shì)的發(fā)展，其錯(cuò)誤率也不斷增高，同時(shí)傳統(tǒng)的試切方法不但耗時(shí)耗力，并且使得生產(chǎn)周期大大延長(zhǎng)，產(chǎn)品的開發(fā)成本增加[1]。此時(shí)，應(yīng)運(yùn)而生的CAD/CAM技術(shù)得到了越來越廣泛的發(fā)展與應(yīng)用。

UG是較為先進(jìn)的綜合CAD/CAE/CAM集成軟件，在生產(chǎn)實(shí)際中得到了大量的使用，其在模具零件數(shù)控加工中的強(qiáng)大功能具有極其顯著的優(yōu)越性，能實(shí)現(xiàn)對(duì)模具的平面銑、型腔銑、輪廓銑、變軸銑等，能夠?qū)崿F(xiàn)模具復(fù)雜型面的數(shù)控自編程加工與3D模擬[2]。本文通過案例分析，結(jié)合典型模具型芯零件，探索了其數(shù)控加工編程設(shè)計(jì)的一般方法，實(shí)現(xiàn)了型芯零件的型腔銑粗加工、固定軸輪廓半精加工、固定軸區(qū)域輪廓銑精加工，并經(jīng)3D刀軌仿真驗(yàn)證后通過后處理生成了適用的數(shù)控加工程序。

1 UG NX數(shù)控編程的一般方法

NX是Siemens PLM Software公司出品的一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案[3]，其CAD/CAE/CAM集成軟件為數(shù)字化加工過程提供了造型和刀軌驗(yàn)證手段，而要高質(zhì)高效發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益，還需要工程技術(shù)人員多加實(shí)踐與應(yīng)用。NX的CAM模塊功能尤為強(qiáng)大，在同類軟件中該功能居于領(lǐng)先地位[4]。它能給我們提供交互式編程工具，使得刀具加工軌跡的計(jì)算可靠而準(zhǔn)確，極大地方便了我們的加工制造。

在業(yè)界相對(duì)優(yōu)秀的CAD/CAE/CAM軟件中，UG NX工作流程與思路簡(jiǎn)易、清晰而又高質(zhì)有效，其通用過程如圖1所示。

圖1 NX數(shù)控編程通用過程

2 型芯零件加工工藝分析

本文的典型零件如圖2所示，在一塊體毛坯上銑削平面、曲面、球面。底座為150 mm×150 mm×20 mm的正方體，以其上表面為球心做一半徑為50 mm的球，并進(jìn)行“求差”操作，保留上半部分。同時(shí)將底座上表面與球表面進(jìn)行“圓角”操作，兩者圓角半徑為30 mm，材料為進(jìn)口P20。

圖2 型芯

(1)工件安裝。毛坯為塊體，上下底面與4個(gè)側(cè)面均已在普通機(jī)床上加工到位，在數(shù)控加工機(jī)床上主要是實(shí)現(xiàn)其曲面的生成。本工件是正方體的底座，采用專用夾具將其底面固定安裝在機(jī)床C軸上，通過底面進(jìn)行定位裝夾。

(2)加工坐標(biāo)系的設(shè)置。NX有著極其強(qiáng)大的坐標(biāo)系設(shè)定功能[5]，但為使編程過程簡(jiǎn)易，因此在設(shè)定加工坐標(biāo)系時(shí)應(yīng)盡可能使其與工件建模時(shí)所用的坐標(biāo)系一致，以免多花工時(shí)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)應(yīng)使坐標(biāo)原點(diǎn)定在操作者最易快速對(duì)刀的位置。在此，將工件加工時(shí)刀位零點(diǎn)取在底面中心上。在進(jìn)行加工坐標(biāo)系設(shè)置時(shí)一定要考慮到安全平面的設(shè)置，此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際裝夾情況進(jìn)行，安全高度一定要高過裝夾待加工工件的夾具高度，在保證安全的前提下，也要考慮到經(jīng)濟(jì)性，不必有太多的空行程，以免浪費(fèi)工時(shí)與能耗。

(3)工序及加工設(shè)備安排。三維固定軸銑削加工主要用于腔體、型面及自由曲面的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，同時(shí)也可用于兩軸、兩軸半的加工。定軸銑(刀軸固定)主要包括型腔銑、輪廓銑、清根加工等。其中型腔銑是利用實(shí)體、曲面或曲線來定義加工區(qū)域，主要用來加工帶有斜度、曲面輪廓外壁及內(nèi)腔壁，常用于粗加工，常采用兩軸聯(lián)動(dòng)，銑削分層，加工后表面呈臺(tái)階狀。輪廓銑是三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，常用于半精加工與精加工，主要用來加工自由曲面等特征，如模具等。根據(jù)此型芯零件的特征，型腔銑采用粗加工方式，固定軸曲面輪廓銑采用半精加工方式，固定軸區(qū)域輪廓銑采用精加工方式。通過工藝分析，得到的加工方案如表1所示。

表1 加工方案

3 編程設(shè)計(jì)

利用UGNX的自動(dòng)編程功能進(jìn)行數(shù)控加工編程設(shè)計(jì)。NX中的CAM具有豐富的刀具軌跡編輯功能[6]，能夠有效地控制軌跡形狀和切削方向的任意細(xì)節(jié)，能指定螺旋、圓弧相切等多種進(jìn)退刀方式，同時(shí)在切削方式方面也能夠通過單向、往復(fù)、角度、跟隨周邊、跟隨輪廓、平行、環(huán)切等不同的選擇來適應(yīng)不同的要求，從而達(dá)到高質(zhì)高效的數(shù)控加工。

3.1 型腔銑粗加工

型腔銑主要應(yīng)用于型芯或型腔等零件的開粗，其主要目的是盡量多且盡快地去除多余材料，快速向制件設(shè)計(jì)尺寸靠攏，實(shí)現(xiàn)較高的生產(chǎn)效率，所以，在切削力與機(jī)床允許的前提下盡可能選用大直徑刀具進(jìn)行粗加工[7]。根據(jù)此型芯的結(jié)構(gòu)特征，型腔銑的走刀采用跟隨零件周邊的方式。

以加工方案為指導(dǎo)，按照數(shù)控編程設(shè)計(jì)的通用過程進(jìn)行刀具、加工方法、幾何體等節(jié)點(diǎn)組的創(chuàng)建與設(shè)置，然后進(jìn)行[操作]的創(chuàng)建，在[類型]下點(diǎn)選[mill_counter]，[子類型]選[ZLEVEL-FOLLOW-CORE]，并分別將已設(shè)置好的刀具、幾何體、粗加工方法等節(jié)點(diǎn)選好，并將[切削區(qū)域]、[切削層]、[切削模式]、[進(jìn)給率與速度]、[步距]、[機(jī)床控制]等項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，點(diǎn)圖標(biāo)工具，生成刀具軌跡，如圖3所示。通過3D模擬，得到型腔銑開粗仿真效果，如圖4所示。型腔銑是等高切削，其刀軌是分層的，經(jīng)型腔銑粗加工后，型芯零件的基本形狀與輪廓已經(jīng)形成，但須進(jìn)一步進(jìn)行半精加工與精加工，才能使其精度達(dá)到設(shè)計(jì)與工作要求。

圖3 粗加工刀路

圖4 粗加工仿真效果

3.2 固定軸輪廓銑半精加工

NX軟件的三軸加工方法非常豐富，其中的固定軸輪廓半精加工在模具零件的半精加工中得到了廣泛的應(yīng)用。與粗加工的操作方法類似，在將[子類型]選為[FIXED-CONTOUR]后，按照加工方案選擇對(duì)應(yīng)的刀具、加工方法，同理將[切削區(qū)域]、[切削層]、[切削模式]、[進(jìn)給率與速度]、[步距]、[機(jī)床控制]等內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，其驅(qū)動(dòng)方式采用[曲線/邊]驅(qū)動(dòng)模式，并點(diǎn)選圖5箭頭所示的圓弧作為驅(qū)動(dòng)邊界，其刀路如圖5所示，3D仿真效果如圖6所示。

圖5 固定軸輪廓半精加工刀路

圖6 固定軸輪廓半精加工3D仿真效果

3.3 固定軸區(qū)域輪廓銑精加工

本案例以固定軸區(qū)域輪廓銑來對(duì)型芯零件進(jìn)行最后的精加工，其方法和過程與前述粗加工及半精加工類似，按加工方案和NX數(shù)控編程通用過程對(duì)各節(jié)點(diǎn)組及參數(shù)項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，再將驅(qū)動(dòng)方法更改為“區(qū)域銑削”。由于本精加工為高速加工，刀具軌跡行距在0.1 mm以下，這樣可以降低加工過程中的表面粗糙度，從而提高表面質(zhì)量[8]。

生成的固定軸區(qū)域輪廓銑精加工刀路如圖7所示，對(duì)刀軌進(jìn)行3D仿真，其效果如圖8所示。

圖7 固定軸區(qū)域輪廓銑精加工刀路

圖8 固定軸區(qū)域輪廓銑精加工3D仿真效果

由固定軸區(qū)域輪廓銑精加工3D仿真效果可看出，加工過程中沒有過切、打刀、加工不到位等不良情況，型芯零件的表面精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)與使用要求，其表面質(zhì)量得到了保證。

4 后處理

在自動(dòng)編程技術(shù)中，后置處理也是關(guān)鍵技術(shù)之一[9]，刀路經(jīng)驗(yàn)證合格后，通過這個(gè)紐帶功能，NX生成的刀位源文件方可轉(zhuǎn)化成數(shù)控機(jī)床可識(shí)別的NC程序。NX后置處理文件具有開放式與通用性，只要對(duì)格式等稍加修改，就能滿足多種數(shù)控系統(tǒng)的要求[10]。

通過專用的后處理器，可以對(duì)選定的刀軌進(jìn)行后處理，本例選用MILL 3 AXIS后處理器，并將單位設(shè)置為“公制/部件”，輸入合適文件名，則可生成程序單。本例的部分程序單如圖9所示。

圖9 程序單(部分)

5 結(jié)語

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，NX的自動(dòng)編程技術(shù)將人力解放出來，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了加工時(shí)機(jī)床上的調(diào)試工時(shí)[11]，提高了生產(chǎn)效率和編程準(zhǔn)確度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，其模擬加工也避免了安全事故的發(fā)生。