基于VERICUT仿真和優(yōu)化的復(fù)雜曲面加工策略研究*

陳曉曉 趙 軍 李月恩② 韓式國(guó) 曹清園

(①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061;②山東建筑大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，山東濟(jì)南 250010)

模具工業(yè)是制造業(yè)中的重要分支?，F(xiàn)代模具制造中，型面設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，自由曲面的應(yīng)用不斷增加，模具制造精度要求逐漸提高，用戶需求多樣化，產(chǎn)品生命周期縮短，這對(duì)模具加工提出了更高的要求［1］。數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床、刀具技術(shù)、CAD/CAM軟件等的不斷發(fā)展，給模具高速加工注入了新的動(dòng)力。

本文結(jié)合人面模具數(shù)控加工程序的編制，分析了復(fù)雜曲面模具的加工策略，并采用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)軟件VERICUT進(jìn)行數(shù)控程序的模擬、驗(yàn)證、切削速度優(yōu)化，提供了模具加工的系統(tǒng)性方法。

1 加工對(duì)象的建立

使用UG進(jìn)行數(shù)控加工編程的一般流程為，第一步:使用UG或其他CAD軟件造型，建立待加工工件及毛坯;第二步:初始化加工環(huán)境;第三步:工藝分析及規(guī)劃;第四步:建立加工用刀具、加工方法、加工操作等，計(jì)算生成刀具軌跡;第五步:后處理，將刀具軌跡轉(zhuǎn)化為特定數(shù)控機(jī)床能識(shí)別的NC代碼。

圖1所示為人面模具，作為數(shù)控加工編程的加工工件。毛坯長(zhǎng)、寬、高分別為203 mm、161 mm、56 mm。

2 加工工藝分析及規(guī)劃

2.1 粗加工

粗加工以提高加工效率為目標(biāo)，要求采用大的材料切除率。因此應(yīng)采用直徑盡量高的刀具，盡量大的加工速度，但必須綜合考慮刀具性能、工件材料、機(jī)床負(fù)載及損耗。一般來(lái)說(shuō)，粗加工的刀具直徑、切削深度和步進(jìn)距離較大，而受機(jī)床負(fù)載能力的限制，切削速度和主軸轉(zhuǎn)速較低。

粗加工大多數(shù)情況下使用型腔銑(CAVITY MILL)，故第1次粗加工采用型腔銑，加工刀具為直徑25 mm的平頭立銑刀ED25，加工余量為1 mm。

2.2 半精加工

半精加工以保證精加工前工件上所有需精加工區(qū)域的余量均勻?yàn)槟繕?biāo)。由于采用大直徑刀具進(jìn)行型腔銑在非陡峭面上切削，各切削層之間會(huì)留下臺(tái)階，可能存在大直徑刀具無(wú)法加工到的角落、凹谷或窄槽，因此需進(jìn)行半精加工［2］。

因第1次加工后殘留待加工材料較多，故第2次、第3次加工均采用型腔銑，使用“IPW”功能。加工刀具分別為直徑20 mm的球頭銑刀ED20BR10和直徑10 mm的球頭立刀 ED10BR5，加工余量分別為0.5 mm、0.25 mm。

IPW即殘留毛坯。工件是由毛坯經(jīng)過若干道工序加工而成的，在每道工序后都會(huì)有一個(gè)IPW。利用IPW計(jì)算刀軌是數(shù)控加工發(fā)展的一個(gè)方向。采用IPW功能，以上一道工序加工完成后的殘留毛坯為基準(zhǔn)計(jì)算下一道工序的刀軌，可以去除空刀，提高加工效率［2］。

圖2、圖3所示分別為第2次、第3次加工后殘留毛坯?？梢钥闯龅?次加工后余量已基本均勻。

圖4所示為第3次加工后鼻子部位刀軌痕跡。

2.3 精加工

精加工以保證高的加工表面質(zhì)量為目標(biāo)。通常曲面精加工都采用固定軸曲面輪廓銑(Fixed contour)，設(shè)置較大的每齒進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速、較小的切削深度和切削寬度;也可采用型腔銑進(jìn)行粗加工、半精加工、精加工。

本例采用型腔銑進(jìn)行精加工，使用“IPW”功能。加工刀具為直徑10 mm的球頭銑刀ED10BR5，加工余量為0 mm。

第4次加工后殘留毛坯更接近真實(shí)零件，但仍存在10 mm球頭銑刀未加工到的區(qū)域，故需采用小直徑刀具清除大直徑刀具未加工到的區(qū)域。第5次、第6次加工均采用型腔銑，使用“參考刀具”及“IPW”功能，加工刀具分別為直徑4 mm的球頭銑刀ED4BR2和直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1。參考刀具功能如圖5所示。

2.4 清角加工

采用固定軸曲面輪廓銑的清根切削驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行清角加工。清根切削驅(qū)動(dòng)方式是一種比較智能化的生成刀軌的驅(qū)動(dòng)方式，系統(tǒng)自動(dòng)沿工件的凹角與凹谷生成驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，在此區(qū)域生成刀位軌跡。

第7次、第8次加工均采用固定軸曲面輪廓銑清角切削驅(qū)動(dòng)方式，加工刀具分別為直徑2 mm的球頭銑刀ED2BR1和直徑1 mm的球頭銑刀ED1BR0.5。

圖6、圖7分別為第7次、第8次清角加工刀軌。

3 VERICUT仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化

后處理生成CLS文件和NC文件，在VERICUT中仿真、驗(yàn)證數(shù)控程序。圖8為APT－CLS刀軌仿真、驗(yàn)證;圖9a為NC程序機(jī)床系統(tǒng)仿真，9b為局部放大圖，可驗(yàn)證程序正確性及安全性，避免加工系統(tǒng)干涉、過切等錯(cuò)誤的產(chǎn)生。

利用刀具優(yōu)化庫(kù)，基于切削條件和材料去除率可自動(dòng)地優(yōu)化進(jìn)給速度［3］。本文采用恒定體積切除率模式優(yōu)化數(shù)控程序。優(yōu)化前后數(shù)控程序運(yùn)行時(shí)間(表1)分別為483.09 min、247.44 min，節(jié)省時(shí)間48.78%?？煽闯鰞?yōu)化后加工效率大幅提高，并可保證較穩(wěn)定的體積去除率，避免沖擊載荷，提高加工質(zhì)量［4］。

表1 優(yōu)化前后各刀具用時(shí)對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

利用CAM軟件進(jìn)行復(fù)雜曲面模具的數(shù)控加工編程，并利用數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT進(jìn)行數(shù)控程序的仿真、驗(yàn)證、優(yōu)化，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造一體化，使整個(gè)加工過程具有前瞻性，確保數(shù)控程序的安全性和高效性。為實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量、加工效率、加工成本整體最優(yōu)化，必須綜合考慮刀具、切削參數(shù)的選擇、工藝過程的規(guī)劃等，并充分發(fā)揮CAD/CAM軟件的作用，更好地實(shí)現(xiàn)模具高速加工。

［1］盛曉敏，鄧朝暉，楊旭靜，等.先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］羅和喜.UGNX4中文版數(shù)控加工專家實(shí)例精講［M］.北京:中國(guó)青年電子出版社，2007.

［3］李云龍，曹巖.數(shù)控機(jī)床加工仿真系統(tǒng)VERICUT［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2005.

［4］楊勝群，唐秀梅，李克安，等.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.