梁志剛 何忠禮 宋翔宇 龐博維 關(guān)春喜

（廣州新華學(xué)院，廣州 510520）

UG NX軟件（簡稱NX軟件）是當(dāng)前功能全面、技術(shù)領(lǐng)先的交互式計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）軟件系統(tǒng)，可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜模具的建模和自動化加工。它不僅可以提高模具的精度，還可以大大提高生產(chǎn)效率[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，復(fù)雜模具的銑削加工成本約占整體制造成本的60%[2]，而NX軟件在復(fù)雜模具上的應(yīng)用效果明顯。在確保模具質(zhì)量的前提下，通過優(yōu)化銑削加工方案，可以提高復(fù)雜模具加工質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力[3]。

1 二次粗加工

在進(jìn)行復(fù)雜模具銑削加工時，多采用分步加工方法，其中第一步是對毛坯工件進(jìn)行整體開粗。為了提高加工效率，加工人員會選擇直徑比較大的刀具進(jìn)行整體開粗。但是，大刀具在提高切削效率的同時會導(dǎo)致粗加工后的模具有很多殘料，特別是復(fù)雜模具有型面復(fù)雜、拐角和凹坑多等特點，進(jìn)行粗加工后的殘料較多。如果這時直接進(jìn)行精加工，直徑較小的精加工刀具會承受巨大的突變載荷，影響刀具的使用壽命，嚴(yán)重時會使刀具直接報廢。因此，在精加工前需要進(jìn)行二次粗加工（也稱二次開粗），切除多余的殘料，使余量均勻化，減少刀具的突變載荷，保證后續(xù)精加工的安全性[4]。

在殘料切除過程中會產(chǎn)生大量空刀，因此加工時間較長，容易發(fā)生故障。針對這些情況，在NX軟件中有3種二次開粗的編程設(shè)計方案，分別是“參考刀具”“使用3D的IPW”和“使用基于層的IPW”[5]。在實際工作中，不同的模具需要選擇合適的二次開粗編程設(shè)計，才能在生產(chǎn)出高質(zhì)量模具的同時獲得較高的生產(chǎn)效率。因此，以復(fù)雜模具為例，利用NX軟件分別對模具分別進(jìn)行3種二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計，并采用VERICUT軟件進(jìn)行仿真，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和比較，總結(jié)出3種方案的優(yōu)缺點，以期獲得復(fù)雜模具最優(yōu)的二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計方案。

2 零件加工工藝分析

在復(fù)雜模具制造的過程中，實現(xiàn)高精度、高效率的銑削加工至關(guān)重要，而零件加工工藝對加工精度有直接影響。因此，在開始對模具進(jìn)行加工編程前，必須根據(jù)零件的具體形狀和使用要求，選擇合適的加工工藝。本實驗所選復(fù)雜模具的三維模型如圖1所示。經(jīng)過分析測量可知，該模型的尺寸為210 mm×165 mm×35 mm。從圖1可以看到，模具零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且待加工特征面較多，加工難度較大。在制定切削加工工藝時，為保證加工精度，應(yīng)遵循先粗后精、先主后次的原則，選擇合適的加工刀具。模具開粗加工工藝過程如表1所示。

表1 模具開粗加工工藝過程

圖1 模具三維模型

3 復(fù)雜模具編程設(shè)計

3.1 首次開粗編程設(shè)計

為了提高生產(chǎn)效率，在數(shù)控機床剛性和刀具強度允許的前提下，首次開粗應(yīng)盡可能選擇大直徑刀具、較深的切削深度和較快的進(jìn)給速度。將機床坐標(biāo)系設(shè)定在毛坯上表面的中心位置進(jìn)行首次開粗編程設(shè)計，并生成刀具軌跡。首次開粗編程詳細(xì)設(shè)計如下。切削方法選擇“型腔銑”；切削模式選擇“跟隨周邊”；步距類型選擇“刀具平面百分比”，數(shù)值設(shè)定為“65”；每刀公共深度設(shè)定為“恒定”，數(shù)值為“0.40 mm”；切削方向為“順銑”，切削順序為“深度優(yōu)先”，刀路方向為“向內(nèi)”；底面余量和側(cè)面余量一致，均為“0.35 mm”，內(nèi)外公差為“0.08 mm”；拐角處刀軌形狀的光順選擇“所有刀路”，半徑為“0.50 mm”，步距限制為“150”；非切削參數(shù)設(shè)置中封閉區(qū)域的進(jìn)刀和退刀類型為“螺旋”，開放區(qū)域則為“線性”，其他設(shè)置保持默認(rèn)值。

3.2 3種二次開粗編程設(shè)計

復(fù)制首次開粗的刀具軌跡，將刀具替換成小直徑刀具平底刀D8，將每刀公共深度修改為“0.25 mm”，將切削參數(shù)中的余量修改為“0.40 mm”。空間范圍標(biāo)簽頁中“處理中的工件”選項設(shè)置為“使用3D的IPW”，最后按照表1設(shè)置二次開粗的主軸速度和進(jìn)給率并生成刀具軌跡。保存文件后，二次開粗編程設(shè)計的其他設(shè)置保持不變，將空間范圍標(biāo)簽頁中的工件分別設(shè)置為“使用基于層的IPW”和“參考刀具”，重新生成二次開粗刀具軌跡，最終可以得到3種二次開粗編程設(shè)計的刀具軌跡（局部），如圖2所示。

圖2 3種二次開粗編程設(shè)計的刀具軌跡（局部）

4 結(jié)果分析

4.1 不同二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計對刀具軌跡的影響

4.1.1 “使用3D的IPW”

工序模型（In Process Workpiece，IPW）是“型腔銑”內(nèi)的一個切削參數(shù)，定義了對毛坯進(jìn)行粗加工后所剩的余量[6]?！笆褂?D的IPW”二次開粗方法是根據(jù)上一把刀具加工完成后的形狀自動生成一個虛擬3D形狀進(jìn)行再次加工。對比圖2中的3種刀具軌跡可以明顯發(fā)現(xiàn)，“使用3D的IPW”的二次開粗刀具軌跡明顯比其他兩種方法復(fù)雜，刀具的進(jìn)刀、退刀、橫越軌跡較多，說明刀具的非切削運動較多，空刀比例較高。另外，該方法計算刀軌的耗時較少，約為30 s，但因與首次開粗工序有關(guān)聯(lián)，如果上一道工序發(fā)生變化，當(dāng)前操作必須重新計算，不便于對刀軌切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.1.2 “使用基于層的IPW”

“使用基于層的IPW”二次開粗方法原理與“使用3D的IPW”類似，但是兩者計算刀具軌跡的參考對象不同?！笆褂没趯拥腎PW”是2D余量，而“使用3D的IPW”是3D余量。從圖2可以看出，“使用基于層的IPW”生成的刀具軌跡比“使用3D”的更加規(guī)則和簡潔，刀具的輔助運動較少。該方法與首次開粗工序具有關(guān)聯(lián)性，且系統(tǒng)計算刀軌的時間與“使用3D的IPW”相同，均為30 s。

4.1.3 “參考刀具”

由圖2可知，“參考刀具”二次開粗方法的刀具軌跡最規(guī)則，但是刀具的非切削運動比“使用基于層的IPW”多。系統(tǒng)用指定的參考刀具計算切削后的余量，然后將這些余量作為二次開粗的切削區(qū)域，因而刀軌比較規(guī)則。這里的參考刀具一般采用首次開粗工序中所用的刀具。“參考刀具”的二次開粗編程設(shè)計與“型腔銑”類似，只是它僅限對殘料的拐角區(qū)域進(jìn)行加工。但是，該模具的特征面較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要加工的區(qū)域較多，因此刀軌計算時間較長，達(dá)到50 s。

4.2 不同二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計對加工余量的影響

利用NX軟件對3種二次開粗編程設(shè)計得到的刀具軌跡進(jìn)行3D動態(tài)分析，分別得到其殘料厚度圖（腔體局部），如圖3所示。經(jīng)過比較，“使用3D的IPW”的二次開粗編程設(shè)計在陡峭大曲面上的余量分布較為均勻，且螺母及其周邊余量接近設(shè)定值0.40 mm?？梢姡笆褂?D的IPW”的二次開粗編程設(shè)計可以避免后續(xù)精加工刀具由于余量的突然變化而增加載荷影響刀具使用壽命，同時可以保證模具最終的表面質(zhì)量和精度。

圖3 3種二次開粗編程設(shè)計的殘料厚度圖

4.3 不同二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計對加工時間的影響

VERICUT是一款數(shù)控加工仿真軟件，能模擬復(fù)雜模型的數(shù)控加工過程，檢測出刀具在實際加工中可能存在的錯誤，具有真實的三維實體顯示效果。它的整個仿真過程包含程序驗證、切削過程分析、機床模擬仿真、程序優(yōu)化和模型輸出等[7]。為了研究3種二次開粗編程設(shè)計對復(fù)雜模具加工時間的影響，實驗采用VERICUT軟件對模具的切削過程進(jìn)行模擬仿真。

選擇FANUC機床作為仿真機床，后處理器選擇NX軟件自帶的MILL 3 AXIS TURBO，分別對3種刀具軌跡進(jìn)行后處理，可得對應(yīng)的G代碼數(shù)控加工程序。在VERICUT軟件中構(gòu)建虛擬加工環(huán)境，并對切削過程進(jìn)行仿真，導(dǎo)出仿真分析報告。根據(jù)仿真分析報告，統(tǒng)計獲得各自加工時間、空刀時間和過切數(shù)等信息，如表2所示。

表2 復(fù)雜模具二次開粗仿真結(jié)果

由表2可知，“參考刀具”的加工時間最短，“使用3D的IPW”的加工時間最長。這是因為“參考刀具”的二次開粗編程設(shè)計僅限于對殘料的拐角區(qū)域進(jìn)行切削加工，加工效率較高。而“使用3D的IPW”是根據(jù)真實工件的當(dāng)前狀態(tài)來加工，會盡可能地切除余量，增加了一定的加工時間。但是，“參考刀具”編程設(shè)計產(chǎn)生的過切數(shù)較多，達(dá)到263個，且均為刀具在快速進(jìn)給時與工件發(fā)生碰撞而產(chǎn)生的。這主要是因為“參考刀具”二次開粗編程設(shè)計與首次開粗工序不具備關(guān)聯(lián)性，不會考慮上一步粗加工中的狹窄殘料。因此，該方法進(jìn)行復(fù)雜模具的二次開粗切削時不能保證切削加工的安全性?！笆褂?D的IPW”和“使用基于層的IPW”的過切數(shù)都非常少，分別為3和0，說明加工過程中不會發(fā)生刀具過載、刀具漏切、加工余量過多等現(xiàn)象，刀路均安全可靠。

5 結(jié)語

“使用3D的IPW”二次開粗編程設(shè)計會根據(jù)上道工序的余量自動生成虛擬3D形狀，用以計算刀具軌跡，計算時間較短，生成的刀具軌跡安全可靠，加工余量符合編程預(yù)期，但是刀具的非切削運動較多，運動路徑較為復(fù)雜，加工時間略長。但是，復(fù)雜模具一般對切削加工質(zhì)量要求較高，且安全性必須滿足需求，加工效率則為次要考慮。綜上所述，在加工時間相差不大的前提下，“使用3D的IPW”二次開粗?jǐn)?shù)控編程設(shè)計刀具軌跡計算時間最短，且切削加工過程安全可靠，同時兼顧安全性和加工質(zhì)量，為最優(yōu)選擇。