□ 郭 晟 □ 劉存平

宜賓職業(yè)技術學院 智能制造學院 四川宜賓 644000

1 研究背景

數(shù)控機床是工業(yè)母機,數(shù)控技術是工業(yè)技術水平及綜合國力的重要標志。在數(shù)控加工技術中,一個重要的環(huán)節(jié)是零件加工程序的編制。傳統(tǒng)編程方式效率低,有時還會出錯,隨著產品日趨差異化、個性化、復雜化,已越來越不適用。隨著現(xiàn)代信息技術和計算機技術的進步,當代智能制造技術蓬勃發(fā)展,計算機輔助設計、工程、制造日趨完善,眾多數(shù)字化設計與制造軟件在實際生產中得到越來越廣泛的應用,使生產工藝流程大為簡化,產品生產周期顯著縮短,促成了生產成本的降低。

在復雜的異形型面零件加工中,變軸加工已得到廣泛應用。變軸加工僅通過一次裝夾就能實現(xiàn)零件加工,可以提高加工精度,節(jié)約能耗和工時,降低加工成本。當前流行的數(shù)字化設計與制造軟件基本都具有變軸加工功能模塊。NX軟件具有優(yōu)良的界面與流暢的工作流程,能夠基于工作過程對產品的設計與制造進行人機對話,實現(xiàn)可視化設計與虛擬驗證,可以有效實現(xiàn)降耗節(jié)能。筆者對NX軟件在異形型面零件數(shù)控加工中的應用進行研究。

2 NX軟件數(shù)控編程工作流程

NX軟件在型面零件加工方面具有強大的功能,加工編程思路清晰,通用工作流程如圖1所示。

NX軟件的曲面數(shù)控加工功能強大,可以通過平面銑、型腔銑、輪廓銑、變軸銑等不同方法完成復雜異形型面零件的數(shù)控自編程加工及三維刀具軌跡模擬驗證。筆者應用NX軟件,通過型腔銑粗加工、固定軸輪廓銑半精加工、區(qū)域輪廓銑精加工、變軸曲面輪廓加工,實現(xiàn)某復雜異形型面零件的數(shù)控加工自編程。

3 零件情況

某異形型面零件如圖2所示。零件的底座為200 mm×200 mm×20 mm正方體,總高為150 mm,型面主要有球面、凹腔弧面、碗形圓弧面、過渡圓弧面,材料為進口P20模具鋼。零件下表面和周側面均已加工到位,需要加工最大球面半徑為75 mm,凹腔弧面半徑為55 mm,過渡圓弧半徑為1.5 mm的曲面,這些型面的加工精度要求都較高。對于這一零件,需要借助數(shù)字化軟件進行三維造型與自動編程,實現(xiàn)零件的高效、高精度加工。

4 加工工藝分析

(1) 選用機床。分析異形型面零件特征,固定軸加工不能一次裝夾實現(xiàn)零件加工,凹腔弧面的成型需要應用變軸銑加工,因此選用多軸數(shù)控加工中心。

(2) 裝夾。以底面進行裝夾,在機床C軸上用專用夾具固定底面。多軸加工通過一次裝夾就可以實現(xiàn)整個零件的多角度、多方位加工,能夠有效避免加工過程中過切、干涉、加工不到位、空行程過長等不良現(xiàn)象,進而實現(xiàn)高精度、高效率加工。

(3) 設置加工坐標系。NX軟件具有強大的坐標系設定功能,為方便快速對刀,使加工坐標系與工件坐標系兩者一致,將加工原點取為零件底面中心點?？紤]到加工中刀具需要繞過裝夾,應設置安全高度,以免干涉。也要考慮空行程不能過長的問題,以免浪費工時。安全平面不應過高,需要酌情設置。

(4) 安排工序。根據(jù)待加工型面的特點,安排型腔銑粗加工,半精加工選用固定軸輪廓銑,并安排區(qū)域輪廓銑精加工、變軸曲面輪廓加工,具體加工工序見表1。

表1 加工工序

(5) 選用刀具。粗加工時,在滿足工藝剛性與加工要求的前提下,主要追求加工效率,為避免過切,選用直徑為16 mm的立銑刀。根據(jù)待加工型面的特點,半精加工選用直徑為8 mm的球頭銑刀。根據(jù)過渡圓弧面最小圓角半徑為1.5 mm,精加工時選用直徑為3 mm 的球頭銑刀。變軸曲面輪廓加工同樣選用直徑為3 mm的球頭銑刀。

5 數(shù)控加工程序設計

筆者利用綜合性數(shù)字化設計軟件NX 12.0進行異形型面零件的數(shù)控加工程序設計,可以較好地實現(xiàn)三維動態(tài)加工仿真與刀軌驗證,借助計算機仿真和虛擬制造技術,大幅提升生產效率和加工質量。

數(shù)控加工前,在建模模塊中將毛坯和零件成品的數(shù)字模型構建好,進入輪廓銑加工環(huán)境。在工序創(chuàng)建前,先參照加工工藝分析與加工工序,將幾何體、刀具、加工方法等節(jié)點創(chuàng)建好。

5.1 粗加工

在零件型腔與型芯的加工中,以型腔銑來進行粗加工。粗加工的主要任務是去除大部分加工余量,追求加工效率是主要目標。要得到高的加工效率,選用工藝參數(shù)時需要綜合衡量加工方法、切削余量、切削用量、走刀方式、進退刀方式。在滿足加工系統(tǒng)工藝剛性和工作要求的前提下,為節(jié)約工時,粗加工可選用較大的進給量。型腔銑粗加工時,采用層切的方式進行單節(jié)距銑,刀路為階梯層狀,這樣可以大量減少空刀現(xiàn)象,實現(xiàn)高效粗加工,同時延長刀具壽命。依照前述加工工藝分析,選用直徑為16 mm的立銑刀,刀軸為+Z方向,選用跟隨部件切削模式,步距采用刀具平面直徑的50%。為減小對刀具的振動與沖擊,采用圓弧進出刀方式,能夠保護刀具。

通過型腔銑粗加工,毛坯多余材料得到快速切除。根據(jù)加工工藝分析進行工藝參數(shù)設定,按照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程,進行刀具、幾何體等節(jié)點組的創(chuàng)建,然后創(chuàng)建操作,通過二維及三維模擬加工進行驗證,優(yōu)化刀軸,避免干涉、過切、欠切、過長空行程等不良現(xiàn)象,生成型腔銑程序粗加工,三維仿真效果如圖3所示。

經過型腔銑粗加工后,基本輪廓與形狀已經生成,層狀刀路粗糙,遠不能滿足加工要求。依照加工工序,下一步進行半精加工操作。

5.2 半精加工

通過粗加工,已去除大部分余料。由粗加工仿真結果可以看到,零件型面上分布有不均勻的臺階狀余量,對此安排半精加工,可以使余量均勻,同時為后續(xù)精加工做好準備。

加工方法豐富的NX軟件具有三軸加工固定軸輪廓銑功能,對于零件的半精加工而言適用性非常高。根據(jù)加工工藝分析,選用直徑為8 mm的球頭銑刀,加工余量設為0.3 mm,并設好進給量、主軸轉速等工藝參數(shù),按照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程選擇刀具、加工方法、幾何體等節(jié)點組,并設置子類型和驅動方式。為減小變形,使刀具切削部位得到毛坯剛性支持,采用從內到外的環(huán)切走刀方式。固定軸輪廓銑半精加工刀軌如圖4所示,三維仿真效果如圖5所示。

通過固定軸輪廓銑半精加工,進一步去除了部分余料,減小了零件型面表面粗糙度值。為使零件型面達到設計與使用要求,后續(xù)安排精加工操作。

5.3 精加工

零件型面的精加工可以采用區(qū)域輪廓銑進行。基于零件加工面輪廓特征,切削模式選擇跟隨周邊。為減小振動,保證加工質量,選用螺旋進刀方式和順銑法。在選用刀具時,考慮過渡圓弧面最小圓角半徑為1.5 mm,選用直徑為3 mm的球頭銑刀。刀具材料選用合金鋼,合金鋼刀具具有良好的剛性,使因彈刀對加工面引起的不良影響大為減小。在工藝參數(shù)設置時,主要有主軸轉速、加工行距、進給速度等。為提高零件型面精度,采用小吃刀量、快速進給、高刀路密度等方法,主軸轉速為3 000 r/min,步距為刀具平面直徑的15%,進給速度為100 mm/min。按照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程,生成刀軌并進行三維仿真驗證,區(qū)域輪廓銑精加工三維仿真效果如圖6所示。

5.4 變軸加工

通過區(qū)域輪廓銑精加工后,零件大部分型面已達到設計與工作要求,但凹腔弧面還需要安排變軸加工,這樣才能在僅一次裝夾的情況下實現(xiàn)整個零件型面的加工,提升定位精度,縮短輔助時間。通過NX軟件的變軸銑加工功能,可以實現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、A軸聯(lián)動加工,達到加工目標,并且刀軌流暢,加工質量高。

變軸加工時,選擇合適的驅動類型和刀軸控制方式是設計刀軌的關鍵。應用NX軟件變軸銑加工功能對零件復雜型面與曲面進行加工時,投影矢量及刀軸控制的優(yōu)劣對加工曲面的精度和質量有直接影響。對于所加工的零件,選用曲面區(qū)域驅動類型,投影矢量為(0,0,-1),以垂直于驅動的方式來控制刀軸。其余工藝參數(shù)根據(jù)加工工序進行設置,參照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程,進行刀軌設計和三維仿真驗證。變軸曲面輪廓加工刀軌如圖7所示,三維仿真效果如圖8所示。

零件具有復雜曲面,通過型腔銑粗加工、固定軸輪廓半精加工、區(qū)域輪廓銑精加工、變軸曲面輪廓加工的刀軌設計和三維仿真驗證,確認加工效果較好,零件型面已達到設計與工作要求,最終加工效果如圖9所示。

6 后處理

經仿真驗證,異形型面零件加工中沒有干涉、加工不到位、過切等不良情況,也不存在過長的空行程,可以生成刀軌。由于生成的刀軌源文件不能被數(shù)控機床直接識別,因此必須進行相應的后處理。NX計算機輔助制造模塊具有豐富的后處理功能,能夠將刀軌源文件轉換為G代碼,由數(shù)控機床識別。

7 結束語

NX軟件數(shù)字化設計與制造功能強大,對于具有復雜型面的異形型面零件而言,應用NX軟件自編程與變軸加工功能,可以輕松完成加工。通過NX軟件進行三維仿真驗證,可以有效避免干涉、過切、欠切、過長空行程等不良情況,減小人為誤差,提升加工精度,縮短編程時間,進而高效、高質實現(xiàn)生產。筆者通過應用NX軟件,實現(xiàn)了異形型面零件加工中的三維造型、自編程、三維仿真驗證,數(shù)控加工程序可靠、準確,通過后處理轉換,可以用于實際生產。