模具加工中提高曲面編程效率的技巧

德州聯合石油機械有限公司 (山東 253034)侯祖剛 駱亞敏 王宗雷

模具加工在我國起步較晚，即使一些大型的工廠和職業院校，也缺少這方面的人才和經驗。高端設備面前，編程員只能摸著石頭過河，走一步，看一步，繞了很多彎路，也交了不少學費。加工中心不同于普通機床，曲面切削過程中的機床動作和刀具路徑全部由數控程序自動控制完成。在高附加值模具的單件和小批量加工中，編程效率(圖樣轉化為程序的時間和速度)，直接決定著設備利用率和生產進度。

1.曲面編程基礎

模具加工難在編程，尤其是較為復雜的曲面編程，基本上只有兩條路可走，一是宏程序，二是CAM 軟件。工廠中隨處可見UG、MasterCAM 等世界知名軟件的身影，精通宏程序的高手卻為數不多。受此影響，編程人員過分依賴CAM 軟件，手工編程只是簡單地掌握一些基本的指令。宏程序的優點是短小精悍，適用性強。只要是有規律的特征曲面，變量之間能夠建立正確的數學方程式和邏輯關系，都可以使用宏程序快捷編程。相同或類似的一組加工特征，只需做出一個，就可以使用旋轉、平移、縮放等幾何變換功能做出另外幾個。數控系統自帶的切削循環，子程序調用，刀具半徑補償等一些高級編程功能都有著自己的獨到之處，運用好了，可以取得事半功倍的效果。

如果曲面的數學方程過于復雜甚至無法表示，就要借助于編程軟件，從工件建模到加工路徑，全部交與軟件完成。CAM 軟件是數控編程的發展趨勢，在高難度的模具曲面中具有不可替代的優勢。實踐告訴我們，曲面的編程思路與其建模方式基本一致，學習并掌握正確的建模方法是做好曲面編程的第一步。建模中用到的草圖曲線和實體特征往往就是編程時的刀具路徑，下面是幾種常見模具曲面的編程思路。

(1)拉伸曲面(見圖1)。基本圖素沿特定方向拉伸生成的曲面，數控加工多采用平行銑削的方法。首先計算出基本曲線的刀具路徑，沿曲面拉伸方向，以設定的角度和距離分層銑削，是典型的兩軸半加工，對設備要求不高。如果遇到很難用方程式表達的非圓曲線，可以先用CAM 軟件做出由等分直線段組成的曲線路徑，儲存為子程序，再用宏程序做出刀具路徑的進給規律，通過調整步進值大小既可以達到控制曲面粗糙度值的目的。

(2)旋轉曲面(見圖2)。基本圖素繞旋轉軸生成的曲面，此時應充分使用數控系統內置的G02/G03 功能，將旋轉曲線按角度或長度等分成數個坐標點，直接用圓弧插補編程，避免軟件編程中用G01直線段擬合曲線的繁瑣和誤差。旋轉曲面以球面和圓錐面最為典型，此時可使用全圓路徑編程，以流線刀路的螺旋線切削方式最為合理，刀路一氣呵成，沒有進退刀和切入切出痕跡，表面質量很好。在這一方面，宏程序有著獨特的優勢。

圖1 拉伸曲面

圖2 旋轉曲面

(3)掃描曲面(見圖3)。基本圖素沿特征曲線延伸生成的曲面，以螺旋曲面最為典型，截面輪廓沿螺旋線軌跡進行有規律地扭曲和運動。螺旋線可以用宏程序控制，復雜的截面輪廓可以借助于CAM 軟件完成，在四軸聯動的加工中心上采用增量進給、分層銑削的方法，即可完成掃描曲面的編程與加工。

(4)不規則曲面(見圖4)。放樣、邊界、網格等很難用數學方程式表達的復雜曲面，統稱為不規則曲面。此時，必須借助于CAM 軟件，編程的重點是正確建模，模型正確了，程序就對了一半，刀具路徑的選擇也很重要，根據曲面的形狀特征，選擇最佳的切削刀具和走刀路線，確保加工質量。以UG為主導的CAD/CAM 一體化軟件已被許多模具制造商所采用，曲面越復雜，軟件編程的優勢越明顯。不足之處是需要專業的正版軟件，企業一次性投入太大。

圖3 掃描曲面

圖4 不規則曲面

(5)輪廓倒角(見圖5)。工件輪廓的圓角和斜角使用宏程序編程比較簡單。在沒有仿形刀具的前提下，可以采用球頭銑刀擬合曲面的方法，利用刀具的半徑補償功能(G41/G42)，將補償值(D)設定為相關的系統變量，倒角按深度值，圓角按角度值建立變量之間的數學關系。隨著倒角截面的曲線變化規律，改變刀具的半徑補償值和進刀深度值，重復執行工件輪廓的加工軌跡即可得到圓滑過渡的倒角曲面。

圖5 輪廓倒角

2.綜合編程實例

運用三維軟件，可以輕松創建一般的二次曲面。但怎樣靈活運用這些曲面模型來編制數控程序并不是一件容易的事情，程序質量很大程度上取決于編程員的加工方案和實踐經驗。尤其是一些較為復雜的模具曲面，用軟件編程，程序太長，用宏程序編程，難度較大，作為兩種截然不同的編程方法，使用者各持己見，誤導了很多初學者。能否取長補短，綜合運用?答案是肯定的。通過下面的實例可以學習宏程序與CAM 軟件的綜合編程思路，快速掌握模具加工中提高曲面編程效率的方法與技巧。

塑料瓶模具中，有一種螺旋狀模芯(見圖6)，外圓已精車至成品尺寸，螺旋輪廓需進行銑削和光整加工。CAM 軟件在允許的誤差范圍內，用微小的直線段去逼近曲面(見圖7)。看上去應該沒有什么問題，但如果整個曲面編程全部由軟件來做，程序將非常龐大，低配置的數控系統難以容納。集中宏程序和CAM 軟件的編程優點，對加工曲面進行必要的定義和分解，優化程序結構，縮短程序長度，從而達到提高編程效率的目的。

圖6 模芯立體圖

圖7 螺旋曲面分解后的基本圖素

根據本例中螺旋曲面的掃描特征，將其分解為YZ 平面的截面曲線和X 軸方向的引導螺旋線(見圖7)，截面由5 組相同的非圓曲線組成(見圖8)，很難用簡捷的數學公式表達清楚。我們可以采用傳統的曲線分解方法，將其等分為幾百條0.2～0.3mm 的直線段，等分線段越短，輪廓精度就越準確。選擇CAM 軟件的2D 加工路徑，定義合適的球頭銑刀和加工參數，生成等分線段串聯后的刀具加工軌跡(見圖9)，后處理為機床可以接受NC 程序，即完成截面輪廓的路徑編程。引導螺旋線有著固定的導程和長度，X 軸和A 軸的移動可以設定為增量值，通過系統變量予以控制，軟件與宏程序融匯在一起，大幅提升編程速度。

圖8 截面輪廓圖

圖9 曲線等分及刀具加工軌跡

現有的加工中心是在立式數控銑床的基礎上增加一旋轉分度頭，軸線與X 軸重合，設定為A 軸(只能用于分度定位，不能與其他坐標軸實現聯動)。工件以卡頂方式安裝于分度頭卡盤，調用加工程序完成一組輪廓曲面的銑削后，分度頭移動72°，重復加工另外4 組，在幾乎不增加程序長度的前提下，實現全部曲面的銑削加工。為簡化程序，減少編程和調試時間，程序選用沿輪廓曲線分層銑削的刀具路徑。

設工件左端面與X 軸中心線交點為G54 坐標系原點，選用R8mm 球頭銑刀，以球心為刀位點，加工程序如下:

編程技巧:上述程序中，球頭銑刀在YZ 平面內沿輪廓曲線A—B 段銑削，加工路徑沿螺旋線方向分層進給。特點是編程簡單，思路清晰，只需逐點描述出截面輪廓線的加工軌跡，賦予合適的切削參數，即可得到連續流暢的刀路。刀具在A 點切入，B 點切出，再快速返回到A 點，沿螺旋線做分層進給，保持單向順銑加工。為簡化程序，將其編制為輪廓線銑削子程序O1010，刀具沿截面輪廓執行一個切削循環(M98 P1010)，X 軸和A 軸沿螺旋線前進一個步距(G91G01 A#11 F300;X#21)，直到螺旋曲面的X軸終點尺寸(#24)。程序的巧妙之處在于截面曲線與螺旋曲線的有效結合，截面線由CAM 軟件來做，螺旋線由宏程序來做，相對于傳統的軟件編程，程序長度縮短了幾十倍，修改和調試也更加方便。經實際加工，模芯的螺旋輪廓基本上可以達到圖樣技術要求，不足之處是加工表面留有輕微的魚鱗狀刀痕，減小螺旋線方向的分層進給值，并適當增加輪廓曲線的等分段數，可明顯改善表面質量。在兼顧生產效率的前提下，也可采用砂帶拋光的方法，快速去除加工刀痕，獲得光滑柔順的模具曲面。

3.結語

實踐證明，在模具曲面編程中，CAM 軟件和宏程序都有著自己的特長和優勢，前者傾注于建模和刀具路徑，后者側重于實踐和加工路線，優缺點正好互補。只要我們掌握了曲面的基本圖素，從最簡單的截面輪廓和特征曲線做起，難度大、無規律的用軟件來做，難度小、有規律的用宏程序來做，兩者合一，發揮出曲面編程的最大效率。