數(shù)控加工仿真在鉆頭模具加工中的應(yīng)用

楊永亮，陳瑞誠

（大慶鉆探工程公司鉆井生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)一公司鉆頭廠，黑龍江大慶163461）

鉆頭模具加工是胎體PDC鉆頭制造中的一個重要環(huán)節(jié)，也是準(zhǔn)確實施鉆頭設(shè)計的關(guān)鍵，鉆頭模具加工精度及質(zhì)量直接影響成品PDC鉆頭的性能。傳統(tǒng)的鉆頭模具加工方法是采用石墨棒料經(jīng)機(jī)械加工、劃線，再經(jīng)手工修整水道槽及排屑塊等復(fù)雜部位組合成，這種加工方法雖然靈活高，但勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，精度難以滿足設(shè)計要求，且模具一致性極差。現(xiàn)在我們使用五軸數(shù)控加工中心加工PDC鉆頭模具，很好地保證模具加工精度的同時，減少了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。在實際生產(chǎn)中，數(shù)控編程一般采用手工編程和計算機(jī)輔助編程相結(jié)合，程序編制完成后，傳輸?shù)綌?shù)控加工中心進(jìn)行加工，由于沒有對數(shù)控程序進(jìn)行仿真驗證，程序的安全性和正確性不能保證，這也導(dǎo)致首件調(diào)試時間延長，加工效率降低。

VERICUT是美國CGTECH公司開發(fā)的專用數(shù)控加工仿真軟件，采用先進(jìn)的三維顯示及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對數(shù)控加工過程的模擬達(dá)到了極其逼真的程度，并且機(jī)床的運(yùn)行過程和虛擬的工廠環(huán)境也能被模擬出來，以檢測加工過程中可能存在的問題，從而減少了零件的重新試切過程。計算機(jī)輔助編程軟件CREO中一直集成有VERICUT模塊，通過系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置可以選擇其作為仿真工具，進(jìn)行數(shù)控程序模擬、仿真等。下面將以?215mmR5625鉆頭為例，介紹如何利用CREO中集成的VERICUT模塊進(jìn)行鉆頭模具數(shù)控加工仿真。

1 數(shù)控編程

? 215mmR5625鉆頭為五刀翼設(shè)計，先利用CREO對五個不同的刀翼分別建立三維模具，并按粗加工、重新粗加工、曲面銑削的順序編制數(shù)控加工程序。粗加工和重新粗加工專用于高速模具加工。在粗加工時，就選用大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的切屑。重新粗加工只加工粗加工無法到達(dá)的區(qū)域，通常選用較小的刀具，加工較大的粗加工切刀由于尺寸原因而無法進(jìn)入的區(qū)域。由于鉆頭模具是石墨材質(zhì)的，易于加工，且鉆頭冠部形狀多為曲面連接，為避免過切可選用球刀作為加工刀具。

1.1 粗加工

粗加工應(yīng)按鉆頭刀翼的尺寸及毛坯尺寸選擇合適的加工刀具及開粗策略，如刀具及開粗策略選擇不合適的話，可能會導(dǎo)致工件過切、刀具損壞等問題。本例中的?215mmR5625鉆頭粗加工選用的是?20mm的球刀進(jìn)行粗加工，根據(jù)所用機(jī)床性能選擇合適的主軸速度、跨距和最大臺階深度，并將計算最小刀具長度選中，以便CREO在刀路模擬時計算可接受的最小刀具長度并顯示在信息提示窗中，本例中最小刀具長度為86.977mm（刀路模擬結(jié)果如圖1所示）。

1.2 重新粗加工

重新粗加工以上一步驟的粗加工為參照序列，即隨后要清除的NC序列，只能選取粗加工或重新粗加工序列。一般根據(jù)加工刀冀的圓角尺寸確定加工刀具，以便進(jìn)入粗加工沒有加工到的區(qū)域，重新粗加工后的模具加工余量厚度均勻。本例中選用?12mm的球刀進(jìn)行加工，根據(jù)粗加工后的加工余量及機(jī)床性能選擇合適的主軸速度、跨距和最大臺階深度，將粗加工允許余量設(shè)置為0。同樣建議將計算最小刀具長度選中，以確定實際加工中所需的最小刀具長度。

圖1 粗加工刀具路徑

1.3 曲面銑削

經(jīng)過粗加工和重新粗加工后，除切削齒位置外其他位置均已加工到位，由于切削齒加工精度高，應(yīng)選用盡可能小的刀具進(jìn)行加工。綜合考慮加工效率與刀具損耗，一般選用?2mm的球刀進(jìn)行加工。切削齒位置的精加工一般選用曲面銑削序列，但要注意根據(jù)切削齒的位置不同調(diào)整銑刀的加工角度，以滿足切削齒的定位精度（如圖2所示）。

按同樣的方法編制其它四個刀翼的數(shù)控加工程序。

2 數(shù)控加工仿真

由于VERICUT是集成在CREO中的，可以從CREO中直接調(diào)用VERICUT進(jìn)行數(shù)控加工仿真，選擇想要進(jìn)行仿真的NC序列，點擊右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇材料移除模擬，經(jīng)過一段時間的計算后，VERICUT仿真界面會自動彈出，點擊仿真到末端按鈕即可進(jìn)行仿真。在VERICUT中切削刀具用紫色顯示，毛坯用黃色顯示，參考模型用紅色顯示，前次加工刀路用藍(lán)色顯示，本次加工刀路用綠色顯示。

將一個刀翼的所有數(shù)控程序都仿真完成后，點擊文件菜單，選擇保存切削模型、VERICUT實體、Stock 1，保存整個刀翼的切削模型，以便在仿真下一個刀翼時調(diào)用。

在進(jìn)行第二個刀翼的數(shù)控程序仿真時，進(jìn)入VERICUT界面后，右鍵點擊Stock 1(0 0 0)，在彈出的快捷菜單中選擇刪除，將原來的毛坯刪除；再次右鍵點擊Stock 1(0 0 0)，在彈出的快捷菜單中選擇添加模型、模型文件，選擇保存的上一刀翼的切削模型。由于兩個刀翼的空間位置不同，需要在位置選項卡中旋轉(zhuǎn)切削模型的位置，以使兩個刀翼的位置與實際相符合，位置調(diào)整好后，點擊仿真到末端按鈕進(jìn)行仿真，依此類推就可以將整個鉆頭模具模擬加工出來（如圖3所示）。

圖2 曲面銑削

圖3 數(shù)控仿真結(jié)果

在仿真過程中，VERICUT會在信息提示欄中提示數(shù)控程序運(yùn)行過程中的信息，特別是各種程序錯誤信息，包括過切、碰撞、刀桿切削等。要根據(jù)錯誤信息調(diào)整NC序列的參數(shù)以修正數(shù)控程序，提高數(shù)控程序的安全性。

3 實際驗證

為了驗證VERICUT仿真的有效性，在修正數(shù)控程序時，特別留了幾處微小的過切。將各個NC序列分別進(jìn)行后處理，并通過手工編程的方法將其串連成一個完整的?215mmR5625鉆頭數(shù)控加工程序。將數(shù)控程序輸入數(shù)控加工中心進(jìn)行加工，加工完成后，檢查模具發(fā)現(xiàn)特意留出的幾個小的過切果然存在，證明VERICUT仿真是有效的（如圖4所示）。

4 結(jié)論

應(yīng)用VERICUT對鉆頭模具數(shù)控加工程序進(jìn)行仿真加工，可以解決：

（1）驗證鉆頭模具數(shù)控程序的正確性，減少模具首件調(diào)試風(fēng)險，增加程序的可用性。

（2）模擬數(shù)控加工中心的實際運(yùn)動，檢查潛在的碰撞危險，降低機(jī)床碰撞的風(fēng)險。

（3）優(yōu)化程序，提高加工效率，延長刀具使用壽命。

圖4 實際加工結(jié)果