基于UG CAM汽車前保險杠凹模的高速加工

朱 昊，劉京南，趙建峰

(1. 東南大學 自動化學院，南京 210096；2. 南京工程學院 先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，南京 211167）

基于UG CAM汽車前保險杠凹模的高速加工

朱 昊1,2，劉京南1，趙建峰2

(1. 東南大學 自動化學院，南京 210096；2. 南京工程學院 先進數控技術江蘇省高校重點建設實驗室，南京 211167）

0 引言

隨著計算機技術的發(fā)展，計算機輔助制造技術(Computer Aided Manufacturing, CAM)在工業(yè)制造業(yè)領域中得到了不斷推廣，各國相繼推出了用于CAM的輔助設計軟件，UG是其中應用最為廣泛的一種。產品從設計、建模到分析、修改直至成型、生成加工代碼均可以通過UG完成。其中的UG CAM模塊具有較高的編程效率，便于用戶快速編輯、調試程序；具備自動防過切和刀柄干涉檢查功能；能夠優(yōu)化刀具路徑和實現特殊的加工策略；具有直接輸出樣條曲線(NURBS)插補功能，可以快速加工出復雜而極其光滑的曲面。高速度和高精度是目前數控加工行業(yè)的兩大發(fā)展方向，基于UG等CAM軟件，采用高速加工(High Speed Machining, HSM)技術，可借助計算機精確、方便、高效地加工各種復雜的工業(yè)零部件。

汽車工業(yè)是我國制造業(yè)支柱產業(yè)之一，隨著市場的不斷變化，一方面，汽車的外形和功能也在不斷發(fā)展，另一方面汽車及其配件的需求量也不斷增加。能否快速加工生產各種高質量的汽車配件直接影響了汽車工業(yè)的發(fā)展。

汽車保險杠在汽車發(fā)生碰撞時可以吸收緩解外部的沖擊力，保持車輛的安全，其外形是復雜的三維曲面造型。由于位于汽車正前方，位置醒目，因此有外形尺寸精度高、表面質量嚴格的特點。汽車保險杠模具通常采用合成樹脂或玻璃纖維增強塑料等材料經模具澆注而成。因此模具的優(yōu)劣直接影響到成品的質量。汽車保險杠模具的生產加工存在以下難點：1）曲面部分設計復雜。2）高速加工過程中精度要求高。3）模具淬火后硬度要求較高。針對以上難點，本文以UG NX 6.0為二次開發(fā)平臺，詳細介紹汽車前保險杠模具的高速加工制造策略。

1 前保險杠凹模的高速加工策略

如圖1所示是某汽車前保險杠模具凹模型腔。采用高速切削技術直接加工該零件的模具鋼材料，可以獲得較高的表面質量，以及尺寸和形位精度。因此，可以省略常規(guī)模具加工的電火花加工和大量手工修磨等工序，縮短了工藝流程，極大地提高了加工生產效率。

1.1 保證切削載荷的恒定和輕便

圖1 汽車前保險杠凹模型腔

在高速切削過程中保持恒定的切削載荷非常重要。為了使刀路軌跡光滑，在加工過程中應注意以下幾點：1）采用小步距和淺切削深度(刀具直徑的10%左右)進行加工；2）使用圓弧或螺旋線方式實現進退刀具；3）大量采用等高分層加工代替仿形加工；4）切除率盡量保持為常數；5）在粗加工時，不但要求刀具以圓弧或螺旋線方式進入工件材料，而且應當使進給率和機床轉速之比達到最佳，從而避免急劇變化的刀具運動以及在外形輪廓上直接進刀和退刀[1]。

如圖2所示為保險杠模具高速加工刀路光順示意圖。在高速加工過程中，一般要求刀具平滑地切入與切出工件，并通過緩慢調節(jié)可以保持連續(xù)的切削載荷，并達到保護刀具的目的。在切入工件時一般采用螺旋線方式進刀，切出工件時使刀具沿圓弧方向切出。

圖2 高速加工刀路光順示意圖

另外，為了保證在拐角處具有平滑的走刀軌跡，刀具路徑可以采用圓角或圓弧走刀，并相應地減小進給速度，這樣在拐角處便能獲得光滑的刀具軌跡，并保持連續(xù)的高進給速度以及加工過程的平穩(wěn)性。現將UG CAM軟件中“角和進給率控制”對話框中的“圓角”選項設定為“ALL Passes”來光滑拐角和步距，從而保持刀具負荷穩(wěn)定[2]。

1.2 使用非均勻有理B樣條(NURBS)插補

隨著高速切削加工設備的使用，一種基于NURBS理論的CNC插補控制器也隨之出現，這使得CNC系統(tǒng)具備了能自動進行NURBS格式定義的加工域生成能力。NURBS曲線使用控制點、權值、節(jié)點矢量三個參數來表達自由曲線。NURBS插補就是將這三個參數作為NC指令的一部分，由CNC系統(tǒng)內部計算并生成NURBS曲線，并按照NURBS曲線驅動機床進給軸運動，加工出NURBS曲線形狀。選用NURBS格式進行插補不僅誤差小，精度高，而且可以簡化NC代碼程序(程序長度只有線性插補代碼的1/10～1/100)，這樣既可以控制機床在沿NURBS曲線運動的同時計算NURBS曲線的曲率變化，又可以在機床加速度允許的范圍內以最大速度進行加工，從而實現模具加工的高速度和高精度[3,4]。

2 前保險杠凹模的高速加工

2.1 高速加工機床選擇

數控機床采用瑞士米克朗公司的HSM-60O型高速銑削加工中心，主軸最高轉速可達60000r/min，控制軸進給速度最快可達40m／min，具有DNC加工時的高速數據通信處理功能和“前饋”控制技術，支持NURBS插補格式。

2.2 模具材料和刀具選擇

選擇的加工材料為鑄態(tài)模具鋼7CrSiMnMoV，高溫淬火后硬度達到55～58HRC，具有較好的強度和韌性配合。刀具選用日本黛杰機夾式高速銑刀，刀片材料為立方氮化硼(半精加工型號為JBN330，精加工型號為JBN245)，切削速度可以大于100m/min，切削60HRC以上的高硬度材料時，其刀具耐用度達到60min以上。

2.3 高速加工工藝規(guī)劃

如圖1所示的汽車前保險杠凹模型腔, 由各種復雜曲面組成。其中汽閘部分包括許多狹窄的曲面凹槽，而凹槽的清角也是加工的難點。

2.3.1 粗加工

在粗加工的過程中，可以充分利用機床的主軸功率，從毛坯上盡可能高效地去除大部分余量，并使后續(xù)精加工余量均勻。

粗加工分三步進行，首先采用Φ30R15球頭銑刀進行分層銑削，保留1mm余量。然后采用固定軸曲面輪廓銑“FIXED_CONTOUR”進行二次粗加工，該加工方式可以有效地切除粗加工刀具留下的各種刀痕，并在工件加工表面上留下比較均勻的余量，相應的粗加工刀路如圖3所示。

表1 高速加工工藝參數表

由于汽閘部分型腔曲面復雜，空間狹小，Φ30球頭銑刀無法進行有效地切除，需要采用更小的刀具專門加工。文中采用Φ10R5球頭銑刀，利用跟隨型腔的“ZLEVEL_FOLLOW_CORE”方法分層切削。主要切削工藝參數如表1所示。

圖3 Φ30銑刀二次粗加工刀軌示意圖

2.3.2 精加工

精加工分兩部進行，首先對所有的曲面采用固定軸曲面輪廓銑“F I X E D_CONTOUR”，以清除粗加工所留下的大部分余量。然后再采用更小的Φ8R4球頭銑刀對汽閘部分進行精加工，其加工刀軌如圖4所示。在精加工過程中，要按照高速加工策略光順刀具路徑，使切削載荷保持恒定。

2.3.3 清根與清角加工

由于在精加工中使用的是Φ20的球頭銑刀，精加工后在零件的凹陷處，即型腔底面與側面交界處仍有一些多余的材料還沒有被切除，需要應用更小的刀具進行清根或清角處理。

分別采用Φ10和Φ6的球頭銑刀進行清根加工。由于零件的曲面數量比較多，選擇切削區(qū)域時也很繁瑣，而零件又是左右對稱的，因此可以先對左半部分進行刀路處理，再鏡像生成右半部分刀具路徑。

圖4 Φ8銑刀汽閘部分精加工刀軌示意圖

其中Φ1 0球頭銑刀執(zhí)行清根加工“FLOWCUT_MULTIPLE”， UG CAM系統(tǒng)自動確定切削方向與加工前后順序，并優(yōu)化清根結果刀軌，同時使刀具盡可能保持與零件表面接觸，以減少非切削運動時間。其刀具路徑如圖5所示。

采用Φ3的球頭銑刀對汽閘部分的四條垂直溝槽進行“ZLEVE_CORNER”清角處理，可以將前一刀具因直徑和拐角半徑關系而無法到達的拐角區(qū)域有效切除。

通過3D動態(tài)仿真模擬所有刀具運動，檢查刀具運動軌跡是否出現空行程和過切/欠切等干涉現象，然后按NURBS格式執(zhí)行后置處理，生成數控加工程序。由于程序代碼龐大，采用RS-232C串行接口傳入數控系統(tǒng)，執(zhí)行網絡在線加工，保險杠凹模加工仿真效果如圖6所示。

圖5 Φ10銑刀凹模底部左邊清根加工刀軌示意圖

圖6 汽車前保險杠凹模加工仿真效果圖

3 結束語

基于傳統(tǒng)電火花工藝對前文所述汽車前保險杠凹模進行加工，需要經過生產電極、電火花加工以及拋光等多個步驟，加工時間大約需要120小時。而基于UG CAM系統(tǒng)進行高速設計加工，整個過程僅需要約38小時，極大地縮短了加工周期。可見，對于形狀復雜、淬火后硬度較高的模具，利用UG CAM系統(tǒng)進行三維造型與數控編程，并使用高速加工技術完成模具的加工，既可以有效地提高加工生產效率，縮短模具的生產時間，又可以確保模具的表面品質和加工精度，從而取得良好的綜合效益。

[1]趙建峰,楊征宇,汪木蘭.汽車外覆蓋件模具高速切削工藝規(guī)劃研究[J]. 現代制造工程,2010(3):76-79.

[2]張伯霖.高速切削技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[3]楊浩.UG NX4銑制造培訓教程[M].北京:清華大學出版社,2003.

[4]曹巖.UG NX4數控加工實例精解[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

HSM of vehicle front bumper die based on UG CAM

ZHU Hao1,2, LIU Jing-nan1, ZHAO Jian-feng2

針對汽車前保險杠模具曲面復雜、精度要求高和淬火后硬度高的技術難點，基于UG CAM系統(tǒng)，設計了相應的高速加工策略，采用米克朗HSM-60O型高速銑削加工中心，盡量保證恒定的切削載荷，使用非均勻有理B樣條(NURBS)插補方法，依據模具材料選擇了合適的刀具和高速加工工藝，最終使加工時間由120小時縮短到大約38小時，提高了綜合加工效率和工件的整體質量。

高速加工；UG CAM；保險杠

朱昊（1980 -），男，講師，碩士，研究方向為電子系統(tǒng)設計和數字化裝備技術等。

TP391

B

1009-0134(2011)4(上)-0043-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).14

2010-12-17

高等學校博士學科點專項科研基金（20090092110052）