基于NX的型腔數字化加工編程設計*

郭 晟，劉存平

(宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644000)

0 引言

現代計算機技術和信息技術發展迅速，極大地催生并促進了制造業中數字化技術的廣泛應用，眾多應用于生產實際的數字化設計與制造軟件如雨后春筍般呈現于大眾面前。在這些優秀的軟件中，NX是目前世界上最先進、最暢銷的面向制造行業的高端軟件之一[1]，該軟件是大型綜合性的數字化設計與制造軟件，具有先進的設計與制造理念，其基于從設計到制造工作過程，使得產品開發能夠無縫集成整個生命周期與流程，能大大優化產品設計制造，節約大量時間、資源和耗材，降低成本，性價比極高。

在制造業中，模具工業是基礎，模具零件的加工精度要求較高，特別是型腔零件，其加工質量對塑件產品的質量起著關鍵作用。NX在模具CAM(Computer Aided Manufacturing,計算機輔助制造)方面具有強大的功能，能通過平面銑、型腔銑、輪廓銑、變軸銑孔系點位加工等不同方法對模具零件復雜的型面進行自動加工編程，并能進行與實際生產工況一致的3D模擬仿真，其結果可以直接運用于實際生產。本文針對一款摩擦圓盤壓鑄模型腔進行工藝分析，應用NX軟件進行編程加工，生成其內腔表面及連接過渡處的清根加工程序代碼，并通過加工模擬仿真，實現了程序優化，保證了產品的質量，提高了加工效率。

1 摩擦圓盤壓鑄模型腔零件加工工藝分析

摩擦圓盤壓鑄模型腔零件(以下簡稱為工件)如圖1所示，其輪廓特征由一個球面型腔及5個凸臺構成，材料為H13。工件總厚度為40 mm、底座為Φ140 mm的圓柱體，球面型腔的球心位于圓柱體中心軸線上，球面半徑為R104 mm，型腔深度為18.4 mm，凸臺弧面半徑為R22.4 mm。零件毛坯外形已車削成形，上、下表面和周側面均已加工到位，球面凹腔和凸臺弧面需要加工，且兩者的過渡處輪廓需加工處理，這些都為工作面，對表面加工精度有比較高的要求。

圖1 摩擦圓盤壓鑄模型腔

(1) 工件安裝：該工件為圓盤形底座，內腔加工采用銑削的方式，其定位通過底面進行裝夾，在機床C軸上以專用夾具固定其底面。

(2) 加工坐標系的設置：工件零點取為球面凹腔底面中心點，X軸和Y軸均選取在摩擦圓盤壓鑄模下表面。由于加工過程中刀具要繞過裝夾，為避免打刀，需設置好安全高度，并將夾具考慮進去，所以刀具應高過裝夾摩擦圓盤壓鑄模的夾具高度，但也應考慮到空行程的問題，不要過多浪費時間，因此刀具安裝高度也不應過高，應酌情設置好安全平面。

(3) 工序安排：根據擬加工型面的特點，粗加工選用型腔銑，半精加工選用固定軸輪廓銑，以區域輪廓銑進行精加工，球面凹腔和凸臺弧面過渡處安排一道清根加工。具體加工工序安排如表1所示。

表1 加工工序安排

(4) 加工設備：采用三軸立式加工中心。

2 程序設計

本文利用綜合性數字化設計軟件UG NX12.0進行工件數控加工的編程。

2.1 粗加工編程

粗加工以加工效率為主要目標，大部分余量在此工序被去除。為達到這一目的，應選用合適的刀具、切削模式和切削工藝。本文選用型腔銑進行開粗，采用層切法，大大減少空刀情況，能有效實現粗加工，提高刀具壽命。選用Φ12立銑刀，刀軸沿+ZM方向，切削模式選用跟隨部件，該加工方式主要應用于大余量開粗且形狀比較復雜的零件[2]。步距采用刀具平直百分比的50%，使用圓弧進出刀方式，可以較好地保護昂貴的刀具。該加工區域特征為球冠狀凹腔，為綜合考慮加工效率與凹腔面的加工質量，可以進行分層切削設置。設置時由頂層開始測量，范圍總深度為18.4 mm，每刀切深設為1.5 mm，然后打開“列表”，添加“新集”，點擊“范圍深度”，設置參數為10 mm，并將對應的每刀切削深度設為3 mm，即可實現不同切深的分層切削設置，如圖2所示。

圖2 分層切削設置

通過型腔銑粗加工，能快速去除多余毛坯材料，按工藝分析，其開粗余量設為0.8 mm，主軸轉速為800 r/min，進給量為250 mm/min，根據NX數控編程流程，進行“刀具”“幾何體”“加工方法”等節點設置，在“操作”節點中實現型腔銑程序生成，并進行型腔銑仿真加工驗證，其刀軌和三維仿真效果如圖3所示。

圖3 型腔銑粗加工刀軌和三維仿真效果

型腔銑粗加工刀路為層狀，基本形狀與輪廓已生成，但內腔表面過于粗糙，與設計及工作要求相差較遠，后續安排半精加工及精加工等。

2.2 半精加工編程

余量均勻化是精加工的重要前提[3]，經粗加工后大部分余料已去除，但型腔型面上的余料為臺階狀，并不均勻，為使余量均勻并為后面的精加工做準備，需進行半精加工。

功能強大的NX軟件加工方法豐富，其攜帶的三軸加工方法中的固定軸輪廓銑非常適用于模具成形零件的半精加工。半精加工時因型面為曲面，采用Φ8球頭銑刀，按工藝分析，半精加工余量設為0.3 mm。按工序安排設置好主軸轉速、進給量等參數，按NX數控編程流程在界面中將驅動方式、子類型選好，并選好刀具、加工方法、幾何體等節點，采用“從內到外”環切走刀，刀具切削部位可以得到毛坯的剛性支持，能減少變形。固定軸輪廓銑加工刀軌與三維仿真效果如圖4所示。

圖4 固定軸輪廓銑加工刀軌與三維仿真效果

固定軸輪廓銑半精加工大大降低了內腔型面的表面粗糙度，但還不能達到設計及工作要求，隨后又安排了精加工操作。

2.3 精加工編程

本例采用區域輪廓銑進行精加工，切削模式選為“跟隨周邊”，采用逆銑法。選擇合金刀Φ6球頭銑刀，合金刀具有良好剛性不易因彈刀而對加工面產生不良影響，適用于精加工。為提高型面精度與加工速度，在精加工時應當采用快速進給、小吃刀量及高刀路密度等方法[4]。本例精加工采用高速加工，主軸轉速為3 000 r/min，步距為刀具平直百分比的15%，按NX數控編程流程進行刀軌設計與加工仿真，其效果如圖5所示。

2.4 清根加工

經過精加工后，內腔表面已能滿足設計與工作要求，但在球面凹腔和凸臺弧面過渡處還需進行進一步處理。本例安排了清根加工工序，按照NX數控編程流程進行清根加工操作設計，生成了刀軌，同時通過3D模擬仿真，得到了較好的加工效果，如圖6所示。可以看到，本零件各型面的加工精度已達到設計與工作要求。

圖6 清根加工刀軌與3D仿真效果

3 后處理

UG NX CAM模塊中的后置處理能將NX CAM軟件生成的加工刀位軌跡源文件轉換成數控機床可識別的代碼(NC)文件，通常是G代碼[5]。經過加工模擬仿真，本例不存在打刀、欠切、過切、干涉等不良現象，加工面處符合設計及工作要求，則可生成刀位文件，通過后置處理，轉換成可用于實際加工的NC程序。

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4 結語

NX軟件具有強大的數字化制造功能，能完成復雜模具零件的加工，通過使用其模擬加工功能，能夠有效避免過切與欠切等不良現象，從而極大地減少了人為因素誤差，提高了加工精度，該自動編程功能大大節省了編程時間，提高了生產效率[6]。本文基于數字化設計與制造軟件NX的CAM功能，結合典型型腔零件，探索了其數控加工程序編制的一般方法，進行了數控加工工藝設計，實現了其粗加工、固定軸輪廓銑半精加工、區域輪廓銑精加工，同時進行了3D仿真驗證，通過后處理生成了可用于實際生產的數控加工程序，對實際生產具有較強的借鑒意義。