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(xué) 自動化學(xué)院，南京 210096；2. 南京工程學(xué)院 先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點建設(shè)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(xué) 自動化學(xué)院，南京 210096；2. 南京工程學(xué)院 先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點建設(shè)實驗室，南京 211167）

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助制造技術(shù)(Computer Aided Manufacturing, CAM)在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域中得到了不斷推廣，各國相繼推出了用于CAM的輔助設(shè)計軟件，UG是其中應(yīng)用最為廣泛的一種。產(chǎn)品從設(shè)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(diào)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(xiàn)特殊的加工策略；具有直接輸出樣條曲線(NURBS)插補(bǔ)功能，可以快速加工出復(fù)雜而極其光滑的曲面。高速度和高精度是目前數(shù)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(shù)，可借助計算機(jī)精確、方便、高效地加工各種復(fù)雜的工業(yè)零部件。

汽車工業(yè)是我國制造業(yè)支柱產(chǎn)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(chǎn)各種高質(zhì)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(fù)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(zhì)量嚴(yán)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(qiáng)塑料等材料經(jīng)模具澆注而成。因此模具的優(yōu)劣直接影響到成品的質(zhì)量。汽車保險杠模具的生產(chǎn)加工存在以下難點：1）曲面部分設(shè)計復(fù)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(xì)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(shù)直接加工該零件的模具鋼材料，可以獲得較高的表面質(zhì)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(chǎn)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(yīng)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(jìn)行加工；2）使用圓弧或螺旋線方式實現(xiàn)進(jìn)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(shù)；5）在粗加工時，不但要求刀具以圓弧或螺旋線方式進(jìn)入工件材料，而且應(yīng)當(dāng)使進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速之比達(dá)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(jìn)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(diào)節(jié)可以保持連續(xù)的切削載荷，并達(dá)到保護(hù)刀具的目的。在切入工件時一般采用螺旋線方式進(jìn)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(yīng)地減小進(jìn)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(jìn)給速度以及加工過程的平穩(wěn)性。現(xiàn)將UG CAM軟件中“角和進(jìn)給率控制”對話框中的“圓角”選項設(shè)定為“ALL Passes”來光滑拐角和步距，從而保持刀具負(fù)荷穩(wěn)定[2]。

1.2 使用非均勻有理B樣條(NURBS)插補(bǔ)

隨著高速切削加工設(shè)備的使用，一種基于NURBS理論的CNC插補(bǔ)控制器也隨之出現(xiàn)，這使得CNC系統(tǒng)具備了能自動進(jìn)行NURBS格式定義的加工域生成能力。NURBS曲線使用控制點、權(quán)值、節(jié)點矢量三個參數(shù)來表達(dá)自由曲線。NURBS插補(bǔ)就是將這三個參數(shù)作為NC指令的一部分，由CNC系統(tǒng)內(nèi)部計算并生成NURBS曲線，并按照NURBS曲線驅(qū)動機(jī)床進(jìn)給軸運動，加工出NURBS曲線形狀。選用NURBS格式進(jìn)行插補(bǔ)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(bǔ)代碼的1/10～1/100)，這樣既可以控制機(jī)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(jī)床加速度允許的范圍內(nèi)以最大速度進(jìn)行加工，從而實現(xiàn)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(jī)床選擇

數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)速可達(dá)60000r/min，控制軸進(jìn)給速度最快可達(dá)40m／min，具有DNC加工時的高速數(shù)據(jù)通信處理功能和“前饋”控制技術(shù)，支持NURBS插補(bǔ)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(dá)到55～58HRC，具有較好的強(qiáng)度和韌性配合。刀具選用日本黛杰機(jī)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(dá)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(fù)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(jī)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(jìn)行，首先采用Φ30R15球頭銑刀進(jìn)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(jìn)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(yīng)的粗加工刀路如圖3所示。

表1 高速加工工藝參數(shù)表

由于汽閘部分型腔曲面復(fù)雜，空間狹小，Φ30球頭銑刀無法進(jìn)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(shù)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(jìn)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(jìn)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(cè)面交界處仍有一些多余的材料還沒有被切除，需要應(yīng)用更小的刀具進(jìn)行清根或清角處理。

分別采用Φ10和Φ6的球頭銑刀進(jìn)行清根加工。由于零件的曲面數(shù)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(jìn)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(jié)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(jìn)行“ZLEVE_CORNER”清角處理，可以將前一刀具因直徑和拐角半徑關(guān)系而無法到達(dá)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(xiàn)空行程和過切/欠切等干涉現(xiàn)象，然后按NURBS格式執(zhí)行后置處理，生成數(shù)控加工程序。由于程序代碼龐大，采用RS-232C串行接口傳入數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(jìn)行加工，需要經(jīng)過生產(chǎn)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(jìn)行高速設(shè)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(fù)雜、淬火后硬度較高的模具，利用UG CAM系統(tǒng)進(jìn)行三維造型與數(shù)控編程，并使用高速加工技術(shù)完成模具的加工，既可以有效地提高加工生產(chǎn)效率，縮短模具的生產(chǎn)時間，又可以確保模具的表面品質(zhì)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(xiàn)代制造工程,2010(3):76-79.

[2]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[3]楊浩.UG NX4銑制造培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[4]曹巖.UG NX4數(shù)控加工實例精解[M].北京:機(jī)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(fù)雜、精度要求高和淬火后硬度高的技術(shù)難點，基于UG CAM系統(tǒng)，設(shè)計了相應(yīng)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(bǔ)方法，依據(jù)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(zhì)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(shè)計和數(shù)字化裝備技術(shù)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(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20090092110052）