付斌利，潘俊兵

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國制造業(yè)也取得了舉世矚目的成就[1-3]。與此同時，具有復(fù)雜自由曲面特點的零件日趨增加，小到人們的生活用品，大到航天、航空、船舶、模具等工程項目[4-6]。產(chǎn)品所具備的功能逐漸成為消費者最關(guān)心的問題之一，在追求產(chǎn)品功能的同時，也更注重產(chǎn)品的外觀[7-9]。很顯然，對自由曲面的高效加工及完美仿形已成為企業(yè)成功的關(guān)鍵因素，這就對自由曲面的加工工藝水平有了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求[10-11]?；诖?，課題組對帽子狀曲面的加工方法和加工過程進行深入探究。

1 基于UG的帽子狀曲面加工方法研究

為了提升帽子狀曲面的加工品質(zhì)，課題組研究了UG軟件的加工特點和相關(guān)切削模式，并完成了帽子狀曲面加工策略的設(shè)置，確認(rèn)了各項參數(shù)，實現(xiàn)加工作業(yè)。

1.1 粗加工的方法

粗加工選擇外形銑削（mill_contour）中的型腔銑削加工方法。跟隨部件切削、跟隨周邊切削、單向切削和往復(fù)切削等均是型腔銑削常見的切削模式。下面具體對比這4種切削模式，分析優(yōu)缺點，如圖1所示。

1）跟隨部件切削。此模式主要是在加工過程中，刀具圍繞曲面外形，生成層狀的梯田式粗加工刀軌，以此實現(xiàn)對帽子狀曲面的加工，其缺點是抬刀次數(shù)較多，加工效率較低，如圖1（a）所示。

2）跟隨周邊切削。此模式指的是在加工時，沿輪廓邊緣形狀刀具生成層狀的梯田式粗加工路徑，并依此刀路對整個曲面展開切削，從而完成加工。此模式生成的刀路，具有抬刀次數(shù)較少的優(yōu)點，加工效率較高，如圖1（b）所示。

3）單向切削。此模式下，刀具為平行直線刀軌，且沿著一個固定方向進行切削，這種刀軌抬刀次數(shù)很多，此處不宜采用，如圖1（c）所示。

4）往復(fù)切削。此模式是指在加工過程中，刀具沿著一系列平行的直線刀軌運動，相鄰刀路上的切削方向正好相反，能夠保持連續(xù)的進刀狀態(tài)。此模式刀具全過程參與切削，抬刀較少，效率較高，如圖1（d）所示。

圖1 切削模式

1.2 精加工的方法

精加工選擇外形銑削（mill_contour）模式中的固定輪廓銑削，固定輪廓銑削通常用于半精加工或精加工中。常用的驅(qū)動方式包括螺旋切削模式、邊界切削模式、區(qū)域銑削模式、引導(dǎo)曲線切削模式、曲面區(qū)域切削模式、流線切削模式以及徑向切削模式等。下面展開具體分析，如圖2所示。

1）螺旋切削模式。這種模式的刀路是環(huán)繞被加工曲面生成的，須指定一個驅(qū)動點和最大螺旋半徑等參數(shù)，以此實現(xiàn)對帽子狀曲面的精加工作業(yè)，顯而易見其抬刀頻次較高，且對邊界無法完成高精度加工，如圖2（a）所示。

2）邊界切削模式。此模式是指加工時刀具沿輪廓的邊緣形狀生成向內(nèi)或向外的螺旋狀刀路，直到曲面頂部的時候分區(qū)加工，此模式無法完成曲面頂部的完全加工，但抬刀次數(shù)較少，加工效率較高，如圖2（b）所示。

3）區(qū)域銑削模式。此模式下，刀具沿輪廓的邊緣形狀生成向內(nèi)或向外的螺旋狀刀路，直到曲面頂部附近時，刀軌變成近似尖角的橢圓形狀，降低了切削效果，但此模式抬刀次數(shù)較少，加工速度較快，如圖2（c）所示。

4）引導(dǎo)曲線切削模式。此模式下，刀具沿輪廓邊緣向內(nèi)或向外生成螺旋狀刀軌，抬刀次數(shù)較少，如圖2（d）所示。

5）曲面區(qū)域切削模式。此模式下，刀路抬刀次數(shù)較少，但加工不完全，如圖2（e）所示。

6）流線切削模式。此模式下，沿被加工曲面的輪廓邊緣生成向內(nèi)或向外的螺旋狀刀路，但曲面頂部無法完全加工，此模式抬刀次數(shù)較少，效率較高，如圖2（f）所示。

圖2 常用的精加工驅(qū)動方式

1.3 方法討論

在應(yīng)用UG軟件對各種切削模式進行仿真加工設(shè)計時，通過對仿真圖與加工效果的比較，選擇適合的加工方法。粗加工：對以上4種帽子狀曲面的粗加工方法進行分析，從加工角度出發(fā)，應(yīng)選用圖1（b）所示的跟隨周邊切削方式進行零件的粗加工。用這種方法進行粗加工，加工時間短、效率高、質(zhì)量優(yōu)。精加工：綜合考慮以上6種精加工方法，應(yīng)選用圖2（d）所示的引導(dǎo)曲線切削進行帽子狀曲面的精加工，確保被加工曲面的粗糙度滿足要求，且實現(xiàn)完全加工，加工效率較高，獲得令人滿意的精加工效果。

2 設(shè)置具體的切削參數(shù)

2.1 粗加工參數(shù)的設(shè)置

粗加工采用外形銑削（mill_contour）中的型腔銑削。選用Φ10立銑刀，采用跟隨周邊的切削驅(qū)動模式，步距值設(shè)置為刀具直徑的60%、切深恒定為1 mm；切削范圍為從頂部計算向下28 mm處，粗加工余量設(shè)置為0.3 mm；開放區(qū)域進刀方式選擇直接進刀，封閉區(qū)域則選擇螺旋下刀的方式，設(shè)置參數(shù)如圖3所示；主軸轉(zhuǎn)速和進給率分別設(shè)置為3 600 r/min和1 000 mm/min；設(shè)置好粗加工參數(shù)后進行加工仿真，粗加工仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 粗加工參數(shù)

圖4 粗加工仿真結(jié)果

2.2 精加工參數(shù)的設(shè)置

精加工選擇外形銑削（mill_contour）中的固定輪廓銑削，其驅(qū)動方式選擇引導(dǎo)曲線切削模式，操作方式：先選擇畫在帽子狀曲面頂部的Φ0.2的圓作為引導(dǎo)曲線1，如圖5（a）所示，再按圖5（b）所示的方法添加新曲線集；選擇圖5（c）的曲線集作為引導(dǎo)曲線2（注意位置和方向與圖5（a）所示的保持一致），選擇往復(fù)切削模式，精加工切削步距為0.2 mm，刀路“按道”排序；精加工刀具選用Φ8的球頭銑刀，精加工余量為0，選擇開放區(qū)域“圓弧-平行于刀軸”的非切削移動方法；主軸轉(zhuǎn)速和進給率分別設(shè)置為5 000 r/min和2 000 mm/min。完成帽子狀曲面精加工參數(shù)設(shè)置后，進行虛擬仿真加工，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 精加工參數(shù)

圖6 精加工仿真結(jié)果

3 基于UG的帽子狀曲面加工檢驗

本文利用UG的三維建模模塊，建立了帽子狀曲面的三維模型，在UG加工模塊中開展了粗精加工的自動編程，并進行了仿真驗證，確定了粗精加工曲面的具體驅(qū)動模式。為了檢驗程序的正確性，選擇三軸數(shù)控加工中心進行實際驗證。在實際驗證前，需借助后處理系統(tǒng)，對UG軟件仿真的粗精加工刀路進行數(shù)控代碼化轉(zhuǎn)化，并采取合理的傳輸方式，將處理好的數(shù)控程序輸入到加工中心數(shù)控系統(tǒng)中，開展對帽子狀曲面的實際加工，以此檢驗程序的正確性，并對加工后的帽子狀曲面質(zhì)量進行檢驗。

4 結(jié)語

本文對帽子狀曲面進行了UG建模和UG自動編程加工技術(shù)研究，具體開展了以下研究：

1）利用UG軟件對帽子狀曲面建立了三維數(shù)字化模型。

2）對帽子狀曲面的粗精加工參數(shù)進行了仿真確定和刀具選擇，明確了帽子狀曲面的數(shù)控加工工藝流程。

3）通過后處理完成了帽子狀曲面加工程序的代碼化處理，并將其傳輸?shù)郊庸ぶ行臄?shù)控系統(tǒng)中，對帽子狀曲面開展了實際加工，并進行加工質(zhì)量檢驗。本研究為基于UG的帽子狀復(fù)雜曲面的數(shù)控加工技術(shù)提供了參考。