基于UG的型芯數控加工與仿真研究*

郭 晟，賴 嘯，劉存平，劉 勇

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644000)

0 引言

在當代制造業中，處于基礎性地位的應屬數控技術，隨著計算機技術和信息技術的快速發展，普通機械制造被數控加工滲透，從而產生了CAD/CAM/CAE綜合技術，數控技術成為制造業的內核，給企業生產帶來了顯著的效益，也從根本上改變了全球制造業的基本特征與面貌，其應用水平的高低成為一個國家工業技能水平的重要標志，直接影響到國家的地位與進步。

數控技術中加工程序的編制是極其重要的環節，但隨著生產零件越來越復雜，數控機床的性能也日新月異，傳統的編程方式已經跟不上形勢的發展，其錯誤率也不斷增高，同時傳統的試切方法不但耗時耗力，并且使得生產周期大大延長，產品的開發成本增加[1]。此時，應運而生的CAD/CAM技術得到了越來越廣泛的發展與應用。

UG是較為先進的綜合CAD/CAE/CAM集成軟件，在生產實際中得到了大量的使用，其在模具零件數控加工中的強大功能具有極其顯著的優越性，能實現對模具的平面銑、型腔銑、輪廓銑、變軸銑等，能夠實現模具復雜型面的數控自編程加工與3D模擬[2]。本文通過案例分析，結合典型模具型芯零件，探索了其數控加工編程設計的一般方法，實現了型芯零件的型腔銑粗加工、固定軸輪廓半精加工、固定軸區域輪廓銑精加工，并經3D刀軌仿真驗證后通過后處理生成了適用的數控加工程序。

1 UG NX數控編程的一般方法

NX是Siemens PLM Software公司出品的一個產品工程解決方案[3]，其CAD/CAE/CAM集成軟件為數字化加工過程提供了造型和刀軌驗證手段，而要高質高效發揮其經濟效益，還需要工程技術人員多加實踐與應用。NX的CAM模塊功能尤為強大，在同類軟件中該功能居于領先地位[4]。它能給我們提供交互式編程工具，使得刀具加工軌跡的計算可靠而準確，極大地方便了我們的加工制造。

在業界相對優秀的CAD/CAE/CAM軟件中，UG NX工作流程與思路簡易、清晰而又高質有效，其通用過程如圖1所示。

圖1 NX數控編程通用過程

2 型芯零件加工工藝分析

本文的典型零件如圖2所示，在一塊體毛坯上銑削平面、曲面、球面。底座為150 mm×150 mm×20 mm的正方體，以其上表面為球心做一半徑為50 mm的球，并進行“求差”操作，保留上半部分。同時將底座上表面與球表面進行“圓角”操作，兩者圓角半徑為30 mm，材料為進口P20。

圖2 型芯

(1)工件安裝。毛坯為塊體，上下底面與4個側面均已在普通機床上加工到位，在數控加工機床上主要是實現其曲面的生成。本工件是正方體的底座，采用專用夾具將其底面固定安裝在機床C軸上，通過底面進行定位裝夾。

(2)加工坐標系的設置。NX有著極其強大的坐標系設定功能[5]，但為使編程過程簡易，因此在設定加工坐標系時應盡可能使其與工件建模時所用的坐標系一致，以免多花工時進行調整。同時應使坐標原點定在操作者最易快速對刀的位置。在此，將工件加工時刀位零點取在底面中心上。在進行加工坐標系設置時一定要考慮到安全平面的設置，此時應根據實際裝夾情況進行，安全高度一定要高過裝夾待加工工件的夾具高度，在保證安全的前提下，也要考慮到經濟性，不必有太多的空行程，以免浪費工時與能耗。

(3)工序及加工設備安排。三維固定軸銑削加工主要用于腔體、型面及自由曲面的三坐標聯動加工，同時也可用于兩軸、兩軸半的加工。定軸銑(刀軸固定)主要包括型腔銑、輪廓銑、清根加工等。其中型腔銑是利用實體、曲面或曲線來定義加工區域，主要用來加工帶有斜度、曲面輪廓外壁及內腔壁，常用于粗加工，常采用兩軸聯動，銑削分層，加工后表面呈臺階狀。輪廓銑是三坐標聯動加工，常用于半精加工與精加工，主要用來加工自由曲面等特征，如模具等。根據此型芯零件的特征，型腔銑采用粗加工方式，固定軸曲面輪廓銑采用半精加工方式，固定軸區域輪廓銑采用精加工方式。通過工藝分析，得到的加工方案如表1所示。

表1 加工方案

3 編程設計

利用UGNX的自動編程功能進行數控加工編程設計。NX中的CAM具有豐富的刀具軌跡編輯功能[6]，能夠有效地控制軌跡形狀和切削方向的任意細節，能指定螺旋、圓弧相切等多種進退刀方式，同時在切削方式方面也能夠通過單向、往復、角度、跟隨周邊、跟隨輪廓、平行、環切等不同的選擇來適應不同的要求，從而達到高質高效的數控加工。

3.1 型腔銑粗加工

型腔銑主要應用于型芯或型腔等零件的開粗，其主要目的是盡量多且盡快地去除多余材料，快速向制件設計尺寸靠攏，實現較高的生產效率，所以，在切削力與機床允許的前提下盡可能選用大直徑刀具進行粗加工[7]。根據此型芯的結構特征，型腔銑的走刀采用跟隨零件周邊的方式。

以加工方案為指導，按照數控編程設計的通用過程進行刀具、加工方法、幾何體等節點組的創建與設置，然后進行[操作]的創建，在[類型]下點選[mill_counter]，[子類型]選[ZLEVEL-FOLLOW-CORE]，并分別將已設置好的刀具、幾何體、粗加工方法等節點選好，并將[切削區域]、[切削層]、[切削模式]、[進給率與速度]、[步距]、[機床控制]等項內容進行相應設置，點圖標工具，生成刀具軌跡，如圖3所示。通過3D模擬，得到型腔銑開粗仿真效果，如圖4所示。型腔銑是等高切削，其刀軌是分層的，經型腔銑粗加工后，型芯零件的基本形狀與輪廓已經形成，但須進一步進行半精加工與精加工，才能使其精度達到設計與工作要求。

圖3 粗加工刀路

圖4 粗加工仿真效果

3.2 固定軸輪廓銑半精加工

NX軟件的三軸加工方法非常豐富，其中的固定軸輪廓半精加工在模具零件的半精加工中得到了廣泛的應用。與粗加工的操作方法類似，在將[子類型]選為[FIXED-CONTOUR]后，按照加工方案選擇對應的刀具、加工方法，同理將[切削區域]、[切削層]、[切削模式]、[進給率與速度]、[步距]、[機床控制]等內容進行相應設置，其驅動方式采用[曲線/邊]驅動模式，并點選圖5箭頭所示的圓弧作為驅動邊界，其刀路如圖5所示，3D仿真效果如圖6所示。

圖5 固定軸輪廓半精加工刀路

圖6 固定軸輪廓半精加工3D仿真效果

3.3 固定軸區域輪廓銑精加工

本案例以固定軸區域輪廓銑來對型芯零件進行最后的精加工，其方法和過程與前述粗加工及半精加工類似，按加工方案和NX數控編程通用過程對各節點組及參數項進行相應設置，再將驅動方法更改為“區域銑削”。由于本精加工為高速加工，刀具軌跡行距在0.1 mm以下，這樣可以降低加工過程中的表面粗糙度，從而提高表面質量[8]。

生成的固定軸區域輪廓銑精加工刀路如圖7所示，對刀軌進行3D仿真，其效果如圖8所示。

圖7 固定軸區域輪廓銑精加工刀路

圖8 固定軸區域輪廓銑精加工3D仿真效果

由固定軸區域輪廓銑精加工3D仿真效果可看出，加工過程中沒有過切、打刀、加工不到位等不良情況，型芯零件的表面精度也達到了設計與使用要求，其表面質量得到了保證。

4 后處理

在自動編程技術中，后置處理也是關鍵技術之一[9]，刀路經驗證合格后，通過這個紐帶功能，NX生成的刀位源文件方可轉化成數控機床可識別的NC程序。NX后置處理文件具有開放式與通用性，只要對格式等稍加修改，就能滿足多種數控系統的要求[10]。

通過專用的后處理器，可以對選定的刀軌進行后處理，本例選用MILL 3 AXIS后處理器，并將單位設置為“公制/部件”，輸入合適文件名，則可生成程序單。本例的部分程序單如圖9所示。

圖9 程序單(部分)

5 結語

現代計算機技術與信息網絡技術的快速發展，極大地促進了現代制造業的發展，NX的自動編程技術將人力解放出來，大大降低了勞動強度，減少了加工時機床上的調試工時[11]，提高了生產效率和編程準確度，提高了產品質量，其模擬加工也避免了安全事故的發生。