帽子狀曲面的數控編程與加工*

付斌利，潘俊兵

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

隨著我國經濟社會的快速發展，我國制造業也取得了舉世矚目的成就[1-3]。與此同時，具有復雜自由曲面特點的零件日趨增加，小到人們的生活用品，大到航天、航空、船舶、模具等工程項目[4-6]。產品所具備的功能逐漸成為消費者最關心的問題之一，在追求產品功能的同時，也更注重產品的外觀[7-9]。很顯然，對自由曲面的高效加工及完美仿形已成為企業成功的關鍵因素，這就對自由曲面的加工工藝水平有了更高標準的要求[10-11]。基于此，課題組對帽子狀曲面的加工方法和加工過程進行深入探究。

1 基于UG的帽子狀曲面加工方法研究

為了提升帽子狀曲面的加工品質，課題組研究了UG軟件的加工特點和相關切削模式，并完成了帽子狀曲面加工策略的設置，確認了各項參數，實現加工作業。

1.1 粗加工的方法

粗加工選擇外形銑削（mill_contour）中的型腔銑削加工方法。跟隨部件切削、跟隨周邊切削、單向切削和往復切削等均是型腔銑削常見的切削模式。下面具體對比這4種切削模式，分析優缺點，如圖1所示。

1）跟隨部件切削。此模式主要是在加工過程中，刀具圍繞曲面外形，生成層狀的梯田式粗加工刀軌，以此實現對帽子狀曲面的加工，其缺點是抬刀次數較多，加工效率較低，如圖1（a）所示。

2）跟隨周邊切削。此模式指的是在加工時，沿輪廓邊緣形狀刀具生成層狀的梯田式粗加工路徑，并依此刀路對整個曲面展開切削，從而完成加工。此模式生成的刀路，具有抬刀次數較少的優點，加工效率較高，如圖1（b）所示。

3）單向切削。此模式下，刀具為平行直線刀軌，且沿著一個固定方向進行切削，這種刀軌抬刀次數很多，此處不宜采用，如圖1（c）所示。

4）往復切削。此模式是指在加工過程中，刀具沿著一系列平行的直線刀軌運動，相鄰刀路上的切削方向正好相反，能夠保持連續的進刀狀態。此模式刀具全過程參與切削，抬刀較少，效率較高，如圖1（d）所示。

圖1 切削模式

1.2 精加工的方法

精加工選擇外形銑削（mill_contour）模式中的固定輪廓銑削，固定輪廓銑削通常用于半精加工或精加工中。常用的驅動方式包括螺旋切削模式、邊界切削模式、區域銑削模式、引導曲線切削模式、曲面區域切削模式、流線切削模式以及徑向切削模式等。下面展開具體分析，如圖2所示。

1）螺旋切削模式。這種模式的刀路是環繞被加工曲面生成的，須指定一個驅動點和最大螺旋半徑等參數，以此實現對帽子狀曲面的精加工作業，顯而易見其抬刀頻次較高，且對邊界無法完成高精度加工，如圖2（a）所示。

2）邊界切削模式。此模式是指加工時刀具沿輪廓的邊緣形狀生成向內或向外的螺旋狀刀路，直到曲面頂部的時候分區加工，此模式無法完成曲面頂部的完全加工，但抬刀次數較少，加工效率較高，如圖2（b）所示。

3）區域銑削模式。此模式下，刀具沿輪廓的邊緣形狀生成向內或向外的螺旋狀刀路，直到曲面頂部附近時，刀軌變成近似尖角的橢圓形狀，降低了切削效果，但此模式抬刀次數較少，加工速度較快，如圖2（c）所示。

4）引導曲線切削模式。此模式下，刀具沿輪廓邊緣向內或向外生成螺旋狀刀軌，抬刀次數較少，如圖2（d）所示。

5）曲面區域切削模式。此模式下，刀路抬刀次數較少，但加工不完全，如圖2（e）所示。

6）流線切削模式。此模式下，沿被加工曲面的輪廓邊緣生成向內或向外的螺旋狀刀路，但曲面頂部無法完全加工，此模式抬刀次數較少，效率較高，如圖2（f）所示。

圖2 常用的精加工驅動方式

1.3 方法討論

在應用UG軟件對各種切削模式進行仿真加工設計時，通過對仿真圖與加工效果的比較，選擇適合的加工方法。粗加工：對以上4種帽子狀曲面的粗加工方法進行分析，從加工角度出發，應選用圖1（b）所示的跟隨周邊切削方式進行零件的粗加工。用這種方法進行粗加工，加工時間短、效率高、質量優。精加工：綜合考慮以上6種精加工方法，應選用圖2（d）所示的引導曲線切削進行帽子狀曲面的精加工，確保被加工曲面的粗糙度滿足要求，且實現完全加工，加工效率較高，獲得令人滿意的精加工效果。

2 設置具體的切削參數

2.1 粗加工參數的設置

粗加工采用外形銑削（mill_contour）中的型腔銑削。選用Φ10立銑刀，采用跟隨周邊的切削驅動模式，步距值設置為刀具直徑的60%、切深恒定為1 mm；切削范圍為從頂部計算向下28 mm處，粗加工余量設置為0.3 mm；開放區域進刀方式選擇直接進刀，封閉區域則選擇螺旋下刀的方式，設置參數如圖3所示；主軸轉速和進給率分別設置為3 600 r/min和1 000 mm/min；設置好粗加工參數后進行加工仿真，粗加工仿真結果如圖4所示。

圖3 粗加工參數

圖4 粗加工仿真結果

2.2 精加工參數的設置

精加工選擇外形銑削（mill_contour）中的固定輪廓銑削，其驅動方式選擇引導曲線切削模式，操作方式：先選擇畫在帽子狀曲面頂部的Φ0.2的圓作為引導曲線1，如圖5（a）所示，再按圖5（b）所示的方法添加新曲線集；選擇圖5（c）的曲線集作為引導曲線2（注意位置和方向與圖5（a）所示的保持一致），選擇往復切削模式，精加工切削步距為0.2 mm，刀路“按道”排序；精加工刀具選用Φ8的球頭銑刀，精加工余量為0，選擇開放區域“圓弧-平行于刀軸”的非切削移動方法；主軸轉速和進給率分別設置為5 000 r/min和2 000 mm/min。完成帽子狀曲面精加工參數設置后，進行虛擬仿真加工，仿真結果如圖6所示。

圖5 精加工參數

圖6 精加工仿真結果

3 基于UG的帽子狀曲面加工檢驗

本文利用UG的三維建模模塊，建立了帽子狀曲面的三維模型，在UG加工模塊中開展了粗精加工的自動編程，并進行了仿真驗證，確定了粗精加工曲面的具體驅動模式。為了檢驗程序的正確性，選擇三軸數控加工中心進行實際驗證。在實際驗證前，需借助后處理系統，對UG軟件仿真的粗精加工刀路進行數控代碼化轉化，并采取合理的傳輸方式，將處理好的數控程序輸入到加工中心數控系統中，開展對帽子狀曲面的實際加工，以此檢驗程序的正確性，并對加工后的帽子狀曲面質量進行檢驗。

4 結語

本文對帽子狀曲面進行了UG建模和UG自動編程加工技術研究，具體開展了以下研究：

1）利用UG軟件對帽子狀曲面建立了三維數字化模型。

2）對帽子狀曲面的粗精加工參數進行了仿真確定和刀具選擇，明確了帽子狀曲面的數控加工工藝流程。

3）通過后處理完成了帽子狀曲面加工程序的代碼化處理，并將其傳輸到加工中心數控系統中，對帽子狀曲面開展了實際加工，并進行加工質量檢驗。本研究為基于UG的帽子狀復雜曲面的數控加工技術提供了參考。