基于UG的精密凹槽零件数控加工

基于UG的精密凹槽零件数控加工

盖立武1,2，郭旭红2

(1.苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州215104；2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州215021)

摘要：凹槽类零件由于切削加工区域是封闭的，铣削加工时刀具的Z向抗力大、排屑困难，刀具容易损坏，工件的质量也不易保证，因此凹槽类零件的精密加工一直是数控加工中的一个难点。针对凹槽类零件的这种加工特点，以某典型凹槽零件为例，应用UG软件从铣削加工中刀具的下刀方式、加工类型等方面着手，研究了基于UG凹槽类零件的精密加工技术。解决了凹槽类零件加工中刀具容易损坏、质量不易控制的难点，为工程中同类零件的数控加工提供了一定的参考价值。

关键词：凹槽；数控加工；刀具路径

文章编号：1001-2265(2015)09-0137-03

收稿日期：2015-04-13；修回日期：2015-05-11

作者简介：盖立武(1979—),男，山东滕州人，苏州市职业大学实验师，学士，从事数控加工技术的教学和科研工作，(E-mail)glw@jssvc.edu.cn。

中图分类号：TH166；TG659

The Digital Control Processing of Components of Precise Recessive Groove Based on UG

GAI Li-wu1,2，GUO Xu-hong2

(1.Mechanical and Electronic Engineering Department,Suzhou Vocational University,Suzhou Jiangsu 215104，China;2.Mechanical & Electronic Engineering,College of Soochow University,Suzhou Jiangsu 215021,China)

Abstract：Due to the confinement of cutting processing area of the components of recessive groove,elevated resistance in Z-vector of cutting knife as well as difficulty in chip removal,the cutting tools are subject to being damaged and the qualities of the work-piece are also out of guarantee.Therefore the precise processing of the components of recessive grooves is always one of the knobs in the digital control processing.Aiming at the processing characteristics of recessive groove’s components and taking some typical one as an example,the researcher adopted UG software to study the precise processing technique based on components of UG recessive groove from the cutting way of milling processing and its processing types.Since the problems of cutting tools and uncontrollability of quality have been shot, referential value has been provided for the digital processing of components in the similar engineering.

Key words：recessive groove;NC machining;tool path

0引言

数控加工中经常遇到一些精密凹槽零件，凹槽类零件的加工较开放区域的加工困难，切削加工时刀具容易扎刀，工件的质量也难保证[1-2]。针对凹槽零件的这种加工特点，国外研究机构和企业主要是采用高速铣减少切削力的方法来防止刀具损坏和保证加工零件的表面粗糙度，这种采用高速铣的方法近年来也在国内也逐步采用，但采用这种方法对机床和整个的工艺系统要求较高，造成零件的生产成本也较高。本文利用UG软件从数控加工的下刀方式、加工路线设计和切削用量设置等方面着手，研究了在普通工艺范围内精密凹槽类零件的数控加工，较好的解决了精密凹槽类零件数控加工的难题，为工程中同类零件的加工提供了一定的参考价值。

1凹槽零件CAD建模

某凹槽零件材料为45号钢，按照小批量的生产要求编程，零件图见图1所示。

图1　凹槽零件二维零件图

UG软件的CAD功能强大，可以进行复杂的三维造型和曲面设计。在本实例中利用UG的草图工具绘出凹槽零件的基本草图，然后再通过拉伸、镜像、倒斜角、孔特征、边倒圆和布尔运算等命令，完成凹槽零件的三维实体造型，如图2所示。

图2　凹槽零件三维实体造型

2凹槽零件数控加工设计

2.1加工工艺分析

从图1和图2可以看出该零件有外形、孔、槽和曲面四个加工要素。其中外形的加工条件较好，最小凹圆角为8mm，因此可以选用较大直径的立铣刀来加工。两个孔直径为12mm且为通孔，切削加工性也较好。第一层轮廓上的边倒圆和倒斜角属于曲面的加工范畴，在加工时主要考虑的是刀具和工件的干涉问题，防止过切的产生。中间的三个槽形状复杂、尺寸紧凑，切削加工条件不好，是这个零件加工的难点。根据以上分析对凹槽零件的数控加工工艺设计如表1所示。

表1　凹槽零件加工工艺设计

2.2第一次粗加工

图3　第一次粗加工刀具路径

在这一个阶段应能大量去除毛坯的材料，为精加工做好准备[3-4]。为此应尽量选择大的刀具直径、大的切深、较快的进给速度，以及相适应的主轴转速。在本例中凹槽零件外轮廓最小的凹圆角为R8mm,为了能尽可能多的把粗加工余量切除掉，刀具直径的选择要小于16mm,在这里选择φ15mm的立铣刀作为第一次粗加工的刀具。切削用量如表1所示，加工类型为型腔铣(Cavity mill)，选择整个部件为切削加工区域。切削模式为跟随部件，步距为刀具直径的70%,由于刀具直径大于零件顶面上的槽和孔的最大尺寸，因此在这次加工中，φ15mm的立铣刀不涉及槽和孔的加工，切削全在开放区域进行。第一次粗加工刀具路径如图3所示。

2.3第二次粗加工

第一次粗加工后，零件外形的粗加工余量得到切除。由于刀具直径的限制，顶面的三个槽、φ12的孔还没有加工，需再经过一次粗加工才能把粗加工余量切除完。顶面槽的最小间距为7mm,因此第二次粗加工选择φ6mm键槽刀，切削加工类型也为型腔铣(Cavitymill)，并以第一次粗加工刀具φ15mm的立铣刀作为参考刀具。由于此次加工属于封闭区域的加工，立铣刀在Z向进刀时刀具中心的切削速度为零，刀具易产生扎刀现象，造成刀具的损坏。因此刀具的Z向进刀要避免插削，进给速度要慢些，这里选择螺旋进刀，Z向进刀设为60mm/min.其余设置和第一次粗加工设置相同。第二次粗加工刀具路径见图4所示。

图4　第二次粗加工刀具路径

这种粗加工方法虽然采用了两把刀具，分两次进行，但由于φ15mm的立铣刀的切削效率是φ6mm键槽刀的两倍多，因此加工效率比只采用φ6mm键槽刀大大提高。

2.4二维轮廓精加工

此工步为外形的加工，刀具直径的选择主要受到外形凹圆角R8和零件上表面大凹槽上尺寸44和R11间距的限制。综合考虑选择φ10立铣刀作为二维轮廓的精加工刀具[5-6]。加工类型选择平面轮廓铣(Planar profile),切削方向为顺铣，切削顺序设置为层优先，刀路设置为光顺，进刀类型设置为圆弧进刀。由于零件轮廓的侧壁余量只有0.2mm,为了减少接刀痕，Z向的进刀深度设置为5mm,二维轮廓精加工刀具路径见图5所示。

图5　二维轮廓精加工刀具路径

2.5孔精加工

加工中心上孔的精加工主要通过铰削和铣削来实现,铰孔主要用在大批量、高精度孔的加工中；铣削由于刀具通用性强，在机床精度允许的情况下也可以完成孔的精加工，因此在中、小批量孔的精加工中得到广泛的应用。在本例中根据φ12孔的精度等级和机床插补的精度，选用φ10的立铣刀，用铣削的方法完成孔的精加工。加工类型选择平面轮廓铣(Planar profile)采用螺旋的进刀方式，切削顺序设置为深度优先。φ12孔的精加工刀具路径见如图6所示。

图6　孔精加工刀具路径

2.6平面精加工

此工步是平面的加工，刀具类型选择立铣刀，刀具直径的选择主要受到大凹槽上尺寸44和R11间距的限制，这里为了减少精加工刀具的换刀次数，综合考虑选择φ10的立铣刀作为凹槽零件平面的精加工刀具。加工类型为平面铣(Face milling area),切削模式为跟随周边，步距为刀具直径的70%，进刀类型选择为线性。图7是凹槽零件的平面加工刀具路径。

图7　平面精加工刀具路径

2.7凹槽精加工

零件上表面的3个凹槽形状复杂，尺寸紧凑，是这个零件加工的难点。刀具直径的选择主要受到最小凹槽间距的限制，凹槽的最小间距尺寸是7mm,这里选择φ6mm的键槽刀作为凹槽的精加工刀具，加工类型为平面铣(Face milling area)，为了减少刀具的Z向抗力，提高形位精度，采用螺旋的下刀方式，切削模式为跟随部件，起钻点设置在槽的中间位置，切削顺序选择深度优先。凹槽的精加工刀具路径见图8所示。

图8　凹槽精加工刀具路径

2.8曲面精加工

曲面精加工一般选用球头刀作为精加工刀具，刀具直径的选择和曲面的最小曲率半径有关[7-8]。这里选用φ5mm的球头刀作为凹槽零件曲面部分的精加工刀具，加工类型为深度轮廓铣(Zlevel profile),进刀类型为圆弧进刀，切削顺序选择深度优先，刀路设置为光顺。曲面精加工的刀具路径见图9所示。

图9　曲面精加工刀具路径

2.9实体切削仿真和加工

生成凹槽零件的刀具路径后，利用UG软件的加工模拟功能，能够模拟零件的加工过程。可以直观的观察刀具的走刀路线是否合理，加工过程中是否有碰撞产生等。仿真结束后，还可以通过观察工件的颜色判断工件是否有过切或欠切产生。通过UG软件的实体切削仿真功能可以大大减少加工过程中的失误，提高程序的安全性。

仿真验证后，选中刀位轨迹,使用UG软件的后处理功能,导入HAAS vf3机床的专用后处理文件,生成数控加工代码了,然后通过数据线将程序传输给机床进行操作加工。小批量生产显示：该工艺加工效率高，质量稳定，程序编制合理[9-11]。凹槽零件的加工实物见图10所示。

图10　凹槽零件加工实物图

3结束语

本文为凹槽类零件的加工提供了一般的方法和步骤；根据凹槽零件的结构特点,设计了合理的加工工艺，然后应用UG软件的CAM功能生成了刀具路径和数控程序，通过在HAAS vf3机床上的实际加工验证了数控程序的合理性。解决了凹槽类零件加工中刀具容易扎刀、质量不易控制的难点，为工程中同类零件的数控加工提供了一定的参考价值。

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(编辑李秀敏)