模具高速數(shù)控加工中三維曲面建模的研究

李森

摘 要：高速數(shù)控加工是當(dāng)前的一種先進(jìn)的現(xiàn)代模具加工技術(shù)，能夠大大提高模具生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。分析了高速數(shù)控加工的特點(diǎn)，介紹了模具高速數(shù)控加工的編程策略，并對(duì)模具高速數(shù)控加工中三維曲面建模展開了研究。

關(guān)鍵詞：模具；高速數(shù)控加工；三維曲面建模；高速銑削

中圖分類號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.054

隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，模具制造行業(yè)也取得了迅猛的發(fā)展。在現(xiàn)代模具生產(chǎn)加工中，曲面所占的比例越來越大，對(duì)加工質(zhì)量及數(shù)控加工工藝提出了更高的要求。高速數(shù)控加工作為模具制造中的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，以其生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量有保障、加工工序簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)越來越受人們重視，對(duì)其展開研究具有十分重要的意義。

1 高速數(shù)控加工特點(diǎn)分析

高速數(shù)控加工具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①切削過程中切削負(fù)荷突變，空行程多，導(dǎo)致切削不能連續(xù)，頻繁產(chǎn)生沖擊；②加工過程中切削方向突變，即刀具軌跡尖角多，切削速度不連續(xù)；③切削過程中頻繁抬刀、進(jìn)刀；④在用球頭銑刀加工三維曲面工件時(shí)，隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實(shí)際接觸點(diǎn)是在不斷變化的，直徑過大的球頭銑刀的加工直徑與名義直徑相差太大，切削速度不好匹配。

2 高速數(shù)控加工編程策略

利用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)進(jìn)行高速數(shù)控加工編程時(shí)，刀具路徑不僅要滿足尺寸和輪廓的高精度要求，同時(shí)還要考慮加工工藝的加工細(xì)節(jié)，選擇適當(dāng)?shù)募庸げ呗院凸に噮?shù)來優(yōu)化各種刀具路徑，以改善切削條件，縮短加工時(shí)間，減少刀具磨損，避免刀刃破損或刀柄折斷等。

高速加工的刀具軌跡必須滿足切削時(shí)等體積切削要求，即切削過程中切削力恒定，盡量減少空行程，減少進(jìn)給速度損失。

為了滿足上述基本要求，設(shè)計(jì)的刀具路徑應(yīng)是：①進(jìn)刀時(shí)采用螺旋或弧進(jìn)刀，使刀具逐漸切入零件，以保證切削力不發(fā)生突變，延長(zhǎng)刀具壽命。②切削速度連續(xù)、無突變，使切削連續(xù)平穩(wěn)，否則，將產(chǎn)生沖擊。③切削時(shí)順銑，使切削過程穩(wěn)定，不易過切，以確保刀具磨損小，表面質(zhì)量好。④采用小的軸向切深，以保證小的切削力、少的切削熱和順暢的排屑。⑤無切削方向突變，即刀具軌跡是無尖角的，普通加工軌跡的尖角處用圓弧或其他曲線來取代，從而保證切削方向的變化是逐漸的而不是突變的。⑥采用等高線軌跡，加工余量均勻的走刀路線可取得好的效果。采用等高線法的刀具軌跡，刀具沿X軸或Y軸方向平動(dòng)，完成金屬的切削。這樣可保證高速加工中切削余量均勻，對(duì)加工穩(wěn)定，尤其是刀具壽命的延長(zhǎng)有利。傳統(tǒng)方法的刀具軌跡，刀具沿斜線方向時(shí)，X，Y方向的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)使加工余量不均勻，降低了刀具的耐用度。⑦在走刀方向的選擇上，以曲面平坦性為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，確定不同的走刀方向選取方案。對(duì)于曲率變化大的曲面，以最大曲率半徑方向?yàn)樽顑?yōu)進(jìn)給方向；對(duì)于曲率變化小的曲面，以單條刀軌平均長(zhǎng)度最長(zhǎng)為原則選擇走刀方向。⑧刀位軌跡生成按照刀位路徑盡可能簡(jiǎn)化，盡量走直線，依照路徑盡量光滑的要求選擇加工策略和合適的插補(bǔ)方法，保證滿足加工面殘留高度的要求，并采用過渡圓弧的方法處理加工干涉區(qū)，這樣在加工時(shí)就不需要減速，提高加工效率。

3 高速銑削時(shí)刀路軌跡生成的特別設(shè)定

在采用球頭銑刀對(duì)三維曲面工件進(jìn)行高速切削加工時(shí)，刀具的實(shí)際加工直徑是隨軸向進(jìn)給量或刃口接觸點(diǎn)而變化的。高速銑削機(jī)床的高轉(zhuǎn)速主軸和高進(jìn)給速度，要求盡量采用小的進(jìn)給量和小的切削深度，且隨著三維曲面的變化，刀具刃口的實(shí)際接觸點(diǎn)是在不斷變化的，直徑過大的球頭銑刀的加工直徑與名義直徑相差太大，切削速度不好匹配，不容易獲得較高的表面質(zhì)量。因此，為了保持刀具的最佳切削速度和切削性能并獲得最佳加工表面，最好的辦法是在刀具的剛性可以克服切削力的情況下采用直徑盡可能小的刀具。

在設(shè)置刀路時(shí)，要依據(jù)以上所提到的一些原則，主要的解決方法是附加合理的圓弧轉(zhuǎn)接。下面以幾個(gè)實(shí)例來說明高速銑削的特別設(shè)定。

3.1 在相鄰的兩行切刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接

如圖1所示，在使用軟件所提供的刀路光順化設(shè)置后，相鄰行切刀路中的行間移刀中自動(dòng)附加了圓滑的轉(zhuǎn)接（如圖1中②處所示）。另外，經(jīng)過一定的設(shè)置，在圖1中①處又附加了圓滑的刀具切入及切出轉(zhuǎn)接。這樣，既保證了刀路軌跡的平滑，又有效地避免了兩行切間的拐硬彎現(xiàn)象，使刀路平滑地轉(zhuǎn)接到下一行去。此種轉(zhuǎn)接方法普遍使用在各種曲面銑削中。

3.2 在相鄰的兩層切削刀路間附加圓滑刀路轉(zhuǎn)接

在曲面等高切削等涉及到相鄰兩層切削刀路間的移刀情況出現(xiàn)時(shí)，最有效的方法是附加圓滑刀具轉(zhuǎn)接。如圖2中②處所示，兩層間的刀路圓弧轉(zhuǎn)接既有效滿足了刀路平滑的要求，又符合螺旋下刀降低切削阻力的問題。另外，如圖2中①處所示，附加的圓弧使切入、切出工件沿著切線方向切入、切出，這樣也起到了均勻切削負(fù)荷的作用。

3.3 利用擺線切削避免全刃徑切削

如圖3中①處所示，在曲面切槽加工中，當(dāng)用螺旋下刀切入工件后，正確的方法是利用擺線切削擺動(dòng)前進(jìn)切開1道或2道通槽，而不是直接直線走刀切削通槽，在通槽切削出來后，再使用直線走刀切削。這樣就有效避免了全刃徑的前進(jìn)切削，使得整個(gè)曲面切槽加工的每刀的切削負(fù)荷更加均衡，在轉(zhuǎn)彎處也增加了擺線接近和附加圓弧轉(zhuǎn)角，使得刀路更加平滑。

3.4 選擇螺線切削路徑

當(dāng)遇到圓形或近視圓形的槽時(shí)，擺線切削路徑的空切削會(huì)很多。這時(shí)可以選擇螺線切削路徑，有效避免全刃徑的切削。

3.5 使用有效的螺旋下刀切入工件

如圖3中①處所示，當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，使用螺旋下刀平滑地切入到工件中去。另外，還應(yīng)該為螺旋直徑設(shè)定一定的變化范圍，當(dāng)下刀位置不夠螺旋直徑時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減小下刀時(shí)螺旋的直徑，直到能夠下刀為止（圖3中②處）。但螺旋的直徑也不能無限制地減小，要受到下限值的限制。當(dāng)螺旋直徑太小時(shí)，就近視為直線下刀了。此時(shí)，要設(shè)定為采用斜坡下刀方式解決，而且最好使用一個(gè)斜坡就下到尺寸處，來回的斜坡加工會(huì)產(chǎn)生很劇烈的硬拐彎。

以上這些設(shè)定不是獨(dú)立存在的，往往是相互交叉的。要有效實(shí)現(xiàn)高速銑削，還應(yīng)該綜合考慮，做到合理使用。圖1所示的方法在刀具行間距較大時(shí)可以使用，當(dāng)精切時(shí)兩行間距太小時(shí)，即使附加圓弧轉(zhuǎn)接也會(huì)因圓弧直徑太小而近視為直線轉(zhuǎn)接，此時(shí)要使用到如圖3中③處所示的行間擺線橫越，或是變更銑削方法，使用從中間擺線銑進(jìn)，中間往兩邊分開環(huán)剝銑削，以增加兩行的間距的方法。如圖2所示的方法在多島曲面銑削時(shí)會(huì)遇到附加圓弧空間距離不夠的情況，此時(shí)就要變更方法，使用隨動(dòng)銑削，在相對(duì)較平坦的一邊曲面上附加跟隨曲面變化的沿層間下降的曲線或直線，這樣也可以平滑地過渡到下一銑削層中去。在使用擺線開槽，直線銑進(jìn)的曲面切槽中，當(dāng)槽輪廓不規(guī)則，有多處銳角存在時(shí)，就應(yīng)該采用全部擺線銑削的功能。

4 結(jié)束語

綜上所述，高速數(shù)控加工是模具加工中的一項(xiàng)重要技術(shù)，能夠極大地提高模具加工效率和質(zhì)量。在模具加工中，相關(guān)技術(shù)人員要做好高速數(shù)控加工的編程工作，采用有效的方法對(duì)三維曲面工件進(jìn)行建模，從而確保模具生產(chǎn)的質(zhì)量，提高模具生產(chǎn)水平。本文對(duì)模具高速數(shù)控加工進(jìn)行了介紹，以期為相關(guān)模具加工提供一定的參考價(jià)值。

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〔編輯：劉曉芳〕