基于Unigraphics的塑料模嵌件數(shù)控加工

□ 曹旭妍

陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 710300

1 研究背景

Unigraphics（UG）作為集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及工程于一體的綜合性軟件，在機(jī)械、模具、航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。UG中的加工模塊以功能豐富、效率高、可靠性高而在計(jì)算機(jī)輔助制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

針對(duì)塑料模嵌件加工中存在部分腔體結(jié)構(gòu)深度較深、曲面部分結(jié)構(gòu)比較陡峭、小圓角不易加工等難點(diǎn)問(wèn)題，筆者采用UGNX 10.0軟件的三維實(shí)體模型和加工模塊，對(duì)塑料模嵌件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及加工工藝分析，并選擇合理的加工方法和加工參數(shù)，完成這一塑料模嵌件的自動(dòng)加工編程和結(jié)果分析[1]。

2 嵌件實(shí)體模型和分析

某塑料模嵌件如圖1所示，材料為模具鋼，要求對(duì)嵌件上的成型面進(jìn)行加工。

由圖1可以看出，該嵌件沒(méi)有給出零件尺寸，因此在加工前首先對(duì)嵌件的極限尺寸、最小圓角、倒角、腔體深度等進(jìn)行分析。分析得到嵌件的X軸方向極限尺寸為110.7 mm，Y軸方向極限尺寸為76.3 mm，Z軸方向極限尺寸為96.18 mm。嵌件上最小圓角半徑為0.3 mm，這些小圓角與尖角無(wú)法使用銑削加工，但可以根據(jù)具體情況留于后續(xù)電火花或線(xiàn)切割加工來(lái)完成。嵌件上的最大深腔達(dá)50 mm，加工時(shí)需要注意刀具的長(zhǎng)度與干涉情況[2]。

圖1 塑料模嵌件示意圖

在嵌件結(jié)構(gòu)中存在多個(gè)水平面和豎直面，可以采用平面加工方法簡(jiǎn)化加工過(guò)程。應(yīng)用UG菜單：分析→模具部件驗(yàn)證→檢查區(qū)域，分析嵌件上所有水平面和豎直面，并以顏色區(qū)分，如圖2所示。

圖2 嵌件分析示意圖

3 加工工藝

經(jīng)上述塑料模嵌件分析，并結(jié)合加工要求，對(duì)嵌件的加工進(jìn)行工藝編排[3]。嵌件上除一些數(shù)控加工無(wú)法完成的小圓角及尖角外，其余部分均采用數(shù)控加工完成。嵌件形狀比較規(guī)則，可采用平口虎鉗一次裝夾完成各成形面的加工，機(jī)床選用2033VMC加工中心。由于嵌件存在一些深腔結(jié)構(gòu)，加工時(shí)應(yīng)考慮刀具的長(zhǎng)度和刀柄，以保證加工的安全性。

加工工藝分為粗加工、半精加工和精加工，具體加工工藝編排見(jiàn)表1。

4 自動(dòng)加工編程

UGNX10.0加工模塊具有強(qiáng)大的功能，界面友好，可定義標(biāo)準(zhǔn)化刀具庫(kù)、加工工藝參數(shù)樣板庫(kù)，從而使粗加工、半精加工、精加工等操作的常用參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，優(yōu)化加工工藝[4]。

表1 嵌件加工工藝編排

4.1 加工前設(shè)置

（1）將嵌件四個(gè)側(cè)面分別向外偏置1 mm。

（2）創(chuàng)建包容塊，調(diào)整Z軸方向尺寸為97 mm。

（3）創(chuàng)建程序組 PROGRAM_1～PROGRAM_8。

（4）設(shè)置嵌件坐標(biāo)系。嵌件坐標(biāo)系和系統(tǒng)坐標(biāo)系重合，原點(diǎn)位于毛坯頂面中心，設(shè)置安全平面為距離毛坯頂面20 mm的平面。

（5）定義工件。部件幾何體為嵌件模型，毛坯幾何體為第（2）步創(chuàng)建的包容塊。

（6）創(chuàng)建刀具，參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 刀具參數(shù)mm

4.2 創(chuàng)建加工工序

（1）粗加工程序。粗加工主要是切除約80%的加工余量，因此，加工方法選擇最常用的型腔銑[5]，刀具規(guī)格為D17R0.8，切削模式選擇跟隨嵌件方式，步距為刀具直徑的65%。設(shè)置切削層高度為61.6 mm，每刀切削深度為0.2 mm。設(shè)置底面余量為0.2 mm，側(cè)面余量為0.35 mm。設(shè)置非切削移動(dòng)參數(shù)時(shí)，區(qū)域之間轉(zhuǎn)移類(lèi)型選擇前一平面，安全距離設(shè)置為2 mm；區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)移方式選擇進(jìn)刀與退刀，轉(zhuǎn)移類(lèi)型選擇前一平面，安全距離設(shè)置為2 mm；封閉區(qū)域進(jìn)刀類(lèi)型為螺旋進(jìn)刀，開(kāi)放區(qū)域進(jìn)刀類(lèi)型為圓弧進(jìn)刀。主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量參照表1，生成粗加工刀具軌跡，如圖3所示。由于受刀具直徑和加工參數(shù)的限制，一些小凹槽部分還留有余量，需進(jìn)行半精加工去除。

圖3 粗加工刀具軌跡

（2）半精加工程序。半精加工方法選擇深度輪廓銑，刀具規(guī)格為D10，刀間距為刀具直徑的65%。設(shè)置切削層高度為61.6 mm，每刀切削深度為0.15 mm。設(shè)置底面和側(cè)面加工余量均為0.1 mm。設(shè)置非切削移動(dòng)參數(shù)時(shí)，區(qū)域之間轉(zhuǎn)移類(lèi)型選擇前一平面，安全距離設(shè)置為2 mm；區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)移方式選擇進(jìn)刀與退刀，轉(zhuǎn)移類(lèi)型選擇前一平面，安全距離設(shè)置為2 mm；開(kāi)放區(qū)域進(jìn)刀類(lèi)型為圓弧進(jìn)刀，封閉區(qū)域進(jìn)刀類(lèi)型設(shè)置為與開(kāi)放區(qū)域相同[6]。生成半精加工刀具軌跡，如圖4所示。

圖4 半精加工刀具軌跡

（3）清角加工程序。選擇型腔銑加工方法對(duì)圖5所示的拐角部分進(jìn)行清角加工，刀具規(guī)格為D6。設(shè)置切削層高度為61.3 mm，每刀切削深度為0.12 mm。其余切削參數(shù)參考半精加工參數(shù)設(shè)置。生成清角加工刀具軌跡，如圖6所示。

（4）平面區(qū)域精加工程序。通過(guò)對(duì)嵌件分析，對(duì)水平面區(qū)域采用平面銑加工法進(jìn)行精加工，刀具規(guī)格為D10。切削模式選擇跟隨周邊方式，步距為刀具直徑的50%，刀路方向?yàn)橛赏庀騼?nèi)。生成平面區(qū)域精加工刀具軌跡，如圖7所示。

（5）曲面區(qū)域精加工程序。選擇深度輪廓銑加工方法對(duì)斜坡面區(qū)域進(jìn)行精加工，為了保證加工精度，選擇直徑較小的刀具，規(guī)格為D4[7]。由于這一區(qū)域有一定的斜度，在加工參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)注意設(shè)置陡峭空間范圍為僅陡峭的區(qū)域，陡峭角度為35°。生成曲面區(qū)域精加工刀具軌跡，如圖8所示。

圖5 清角加工示意圖

圖6 清角加工刀具軌跡

圖7 平面區(qū)域精加工刀具軌跡

圖8 曲面區(qū)域精加工刀具軌跡

（6）曲面區(qū)域底部精加工程序。由于上一步加工完成后，斜坡底部并未加工，所以，選擇固定軸區(qū)域輪廓銑加工方法對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行精加工[8]，刀具規(guī)格為D4。加工方法選擇區(qū)域銑削，陡峭空間范圍設(shè)置為非陡峭區(qū)域，切削模式選擇往復(fù)切削方式，步距為0.15 mm。生成曲面區(qū)域底部精加工刀具軌跡，如圖9所示。

圖9 曲面區(qū)域底部精加工刀具軌跡

（7）其它成型面精加工程序。使用深度輪廓銑和固定軸區(qū)域輪廓銑相結(jié)合的方法對(duì)其它成型面進(jìn)行精加工，參數(shù)設(shè)置參照表1，生成的刀具軌跡如圖10所示。

圖10 其它成型面精加工刀具軌跡

4.3 仿真加工

完成加工方法創(chuàng)建和刀具軌跡生成后，需要在UG中進(jìn)行模擬仿真加工，來(lái)驗(yàn)證刀具軌跡的正確性和合理性。UG可通過(guò)三維和二維兩種動(dòng)態(tài)模擬仿真方法，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真加工，檢驗(yàn)刀具是否會(huì)發(fā)生干涉，確保實(shí)際加工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切、欠切、碰撞等現(xiàn)象，提高程序的安全性。筆者選擇三維動(dòng)態(tài)仿真模式對(duì)該嵌件進(jìn)行模擬仿真加工，將加工完成后的模型與嵌件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，分析是否出現(xiàn)過(guò)切、欠切等情況。仿真加工結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明，刀具軌跡正確合理，且加工精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[9-10]。

圖11 仿真加工結(jié)果

5 實(shí)際加工驗(yàn)證

選擇數(shù)控實(shí)訓(xùn)中心的2033VMC加工中心對(duì)塑料模嵌件進(jìn)行實(shí)際加工。自主開(kāi)發(fā)與該機(jī)床相匹配的后處理器，對(duì)刀具軌跡文件進(jìn)行后置處理，生成機(jī)床能夠識(shí)別的數(shù)控程序。將該程序傳輸至機(jī)床進(jìn)行嵌件的實(shí)際加工，加工完成后在線(xiàn)切割機(jī)床上對(duì)嵌件上尺寸較小的溝槽、圓角部分進(jìn)行電火花加工[11]。實(shí)際加工結(jié)果顯示，加工工藝合理、效率高，尺寸精度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者以某塑料模嵌件為例，根據(jù)嵌件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求，對(duì)嵌件進(jìn)行分析，制訂出可行的數(shù)控加工工藝方案，選擇合適的機(jī)床、夾具、刀具、切削用量和加工類(lèi)型，并基于UG NX 10.0軟件強(qiáng)大的建模、分析、加工功能，完成該塑料模嵌件的自動(dòng)加工編程，生成刀具軌跡，進(jìn)行模擬仿真加工。仿真加工無(wú)誤后，通過(guò)后處理生成數(shù)控程序，在加工中心上進(jìn)行實(shí)際加工，驗(yàn)證了該嵌件自動(dòng)加工編程的正確性。結(jié)果表明，筆者采用的加工方法有效解決了嵌件加工中的難點(diǎn)問(wèn)題，加工精度高，并可預(yù)知在加工中可能出現(xiàn)的過(guò)切、欠切等問(wèn)題，大大提高了加工效率。該嵌件在加工中的模型處理方法、工藝方案、自動(dòng)加工編程類(lèi)型和參數(shù)設(shè)定可作為教學(xué)素材使用，也可供工廠(chǎng)加工參考，對(duì)嵌件類(lèi)零件的加工具有一定的參考和實(shí)用價(jià)值。

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