□ 郭 晟 □ 劉存平

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院 四川宜賓 644000

1 研究背景

數(shù)控機(jī)床是工業(yè)母機(jī),數(shù)控技術(shù)是工業(yè)技術(shù)水平及綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。在數(shù)控加工技術(shù)中,一個(gè)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(shí)還會(huì)出錯(cuò),隨著產(chǎn)品日趨差異化、個(gè)性化、復(fù)雜化,已越來越不適用。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,當(dāng)代智能制造技術(shù)蓬勃發(fā)展,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、工程、制造日趨完善,眾多數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造軟件在實(shí)際生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用,使生產(chǎn)工藝流程大為簡(jiǎn)化,產(chǎn)品生產(chǎn)周期顯著縮短,促成了生產(chǎn)成本的降低。

在復(fù)雜的異形型面零件加工中,變軸加工已得到廣泛應(yīng)用。變軸加工僅通過一次裝夾就能實(shí)現(xiàn)零件加工,可以提高加工精度,節(jié)約能耗和工時(shí),降低加工成本。當(dāng)前流行的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造進(jìn)行人機(jī)對(duì)話,實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證,可以有效實(shí)現(xiàn)降耗節(jié)能。筆者對(duì)NX軟件在異形型面零件數(shù)控加工中的應(yīng)用進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(yàn)證。筆者應(yīng)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(shí)現(xiàn)某復(fù)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(jìn)口P20模具鋼。零件下表面和周側(cè)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(duì)于這一零件,需要借助數(shù)字化軟件進(jìn)行三維造型與自動(dòng)編程,實(shí)現(xiàn)零件的高效、高精度加工。

4 加工工藝分析

(1) 選用機(jī)床。分析異形型面零件特征,固定軸加工不能一次裝夾實(shí)現(xiàn)零件加工,凹腔弧面的成型需要應(yīng)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(jìn)行裝夾,在機(jī)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(zhǎng)等不良現(xiàn)象,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度、高效率加工。

(3) 設(shè)置加工坐標(biāo)系。NX軟件具有強(qiáng)大的坐標(biāo)系設(shè)定功能,為方便快速對(duì)刀,使加工坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系兩者一致,將加工原點(diǎn)取為零件底面中心點(diǎn)。考慮到加工中刀具需要繞過裝夾,應(yīng)設(shè)置安全高度,以免干涉。也要考慮空行程不能過長(zhǎng)的問題,以免浪費(fèi)工時(shí)。安全平面不應(yīng)過高,需要酌情設(shè)置。

(4) 安排工序。根據(jù)待加工型面的特點(diǎn),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(shí),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(diǎn),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(shí)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(shè)計(jì)

筆者利用綜合性數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件NX 12.0進(jìn)行異形型面零件的數(shù)控加工程序設(shè)計(jì),可以較好地實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài)加工仿真與刀軌驗(yàn)證,借助計(jì)算機(jī)仿真和虛擬制造技術(shù),大幅提升生產(chǎn)效率和加工質(zhì)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(gòu)建好,進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行粗加工。粗加工的主要任務(wù)是去除大部分加工余量,追求加工效率是主要目標(biāo)。要得到高的加工效率,選用工藝參數(shù)時(shí)需要綜合衡量加工方法、切削余量、切削用量、走刀方式、進(jìn)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(shí),粗加工可選用較大的進(jìn)給量。型腔銑粗加工時(shí),采用層切的方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)高效粗加工,同時(shí)延長(zhǎng)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(duì)刀具的振動(dòng)與沖擊,采用圓弧進(jìn)出刀方式,能夠保護(hù)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(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定,按照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程,進(jìn)行刀具、幾何體等節(jié)點(diǎn)組的創(chuàng)建,然后創(chuàng)建操作,通過二維及三維模擬加工進(jìn)行驗(yàn)證,優(yōu)化刀軸,避免干涉、過切、欠切、過長(zhǎng)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(jīng)過型腔銑粗加工后,基本輪廓與形狀已經(jīng)生成,層狀刀路粗糙,遠(yuǎn)不能滿足加工要求。依照加工工序,下一步進(jìn)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(jié)果可以看到,零件型面上分布有不均勻的臺(tái)階狀余量,對(duì)此安排半精加工,可以使余量均勻,同時(shí)為后續(xù)精加工做好準(zhǔn)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(duì)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(shè)為0.3 mm,并設(shè)好進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)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(diǎn)組,并設(shè)置子類型和驅(qū)動(dòng)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(nèi)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(jìn)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(dá)到設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng),保證加工質(zhì)量,選用螺旋進(jìn)刀方式和順銑法。在選用刀具時(shí),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(duì)加工面引起的不良影響大為減小。在工藝參數(shù)設(shè)置時(shí),主要有主軸轉(zhuǎn)速、加工行距、進(jìn)給速度等。為提高零件型面精度,采用小吃刀量、快速進(jìn)給、高刀路密度等方法,主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,步距為刀具平面直徑的15%,進(jìn)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(jìn)行三維仿真驗(yàn)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(dá)到設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)整個(gè)零件型面的加工,提升定位精度,縮短輔助時(shí)間。通過NX軟件的變軸銑加工功能,可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸、A軸聯(lián)動(dòng)加工,達(dá)到加工目標(biāo),并且刀軌流暢,加工質(zhì)量高。

變軸加工時(shí),選擇合適的驅(qū)動(dòng)類型和刀軸控制方式是設(shè)計(jì)刀軌的關(guān)鍵。應(yīng)用NX軟件變軸銑加工功能對(duì)零件復(fù)雜型面與曲面進(jìn)行加工時(shí),投影矢量及刀軸控制的優(yōu)劣對(duì)加工曲面的精度和質(zhì)量有直接影響。對(duì)于所加工的零件,選用曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)類型,投影矢量為(0,0,-1),以垂直于驅(qū)動(dòng)的方式來控制刀軸。其余工藝參數(shù)根據(jù)加工工序進(jìn)行設(shè)置,參照NX軟件數(shù)控編程通用工作流程,進(jìn)行刀軌設(shè)計(jì)和三維仿真驗(yàn)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(fù)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(shè)計(jì)和三維仿真驗(yàn)證,確認(rèn)加工效果較好,零件型面已達(dá)到設(shè)計(jì)與工作要求,最終加工效果如圖9所示。

6 后處理

經(jīng)仿真驗(yàn)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(zhǎng)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(jī)床直接識(shí)別,因此必須進(jìn)行相應(yīng)的后處理。NX計(jì)算機(jī)輔助制造模塊具有豐富的后處理功能,能夠?qū)⒌盾壴次募D(zhuǎn)換為G代碼,由數(shù)控機(jī)床識(shí)別。

7 結(jié)束語

NX軟件數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造功能強(qiáng)大,對(duì)于具有復(fù)雜型面的異形型面零件而言,應(yīng)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(jìn)行三維仿真驗(yàn)證,可以有效避免干涉、過切、欠切、過長(zhǎng)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(shí)間,進(jìn)而高效、高質(zhì)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。筆者通過應(yīng)用NX軟件,實(shí)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(yàn)證,數(shù)控加工程序可靠、準(zhǔn)確,通過后處理轉(zhuǎn)換,可以用于實(shí)際生產(chǎn)。