数控加工仿真在钻头模具加工中的应用

杨永亮，陈瑞诚

（大庆钻探工程公司钻井生产技术服务一公司钻头厂，黑龙江大庆163461）

钻头模具加工是胎体PDC钻头制造中的一个重要环节，也是准确实施钻头设计的关键，钻头模具加工精度及质量直接影响成品PDC钻头的性能。传统的钻头模具加工方法是采用石墨棒料经机械加工、划线，再经手工修整水道槽及排屑块等复杂部位组合成，这种加工方法虽然灵活高，但劳动强度大，生产效率低，精度难以满足设计要求，且模具一致性极差。现在我们使用五轴数控加工中心加工PDC钻头模具，很好地保证模具加工精度的同时，减少了劳动强度，提高了生产效率。在实际生产中，数控编程一般采用手工编程和计算机辅助编程相结合，程序编制完成后，传输到数控加工中心进行加工，由于没有对数控程序进行仿真验证，程序的安全性和正确性不能保证，这也导致首件调试时间延长，加工效率降低。

VERICUT是美国CGTECH公司开发的专用数控加工仿真软件，采用先进的三维显示及虚拟现实技术，对数控加工过程的模拟达到了极其逼真的程度，并且机床的运行过程和虚拟的工厂环境也能被模拟出来，以检测加工过程中可能存在的问题，从而减少了零件的重新试切过程。计算机辅助编程软件CREO中一直集成有VERICUT模块，通过系统参数设置可以选择其作为仿真工具，进行数控程序模拟、仿真等。下面将以Ø215mmR5625钻头为例，介绍如何利用CREO中集成的VERICUT模块进行钻头模具数控加工仿真。

1 数控编程

Ø 215mmR5625钻头为五刀翼设计，先利用CREO对五个不同的刀翼分别建立三维模具，并按粗加工、重新粗加工、曲面铣削的顺序编制数控加工程序。粗加工和重新粗加工专用于高速模具加工。在粗加工时，就选用大的进给量和尽可能大的切削深度，以便在较短的时间内切除尽可能多的切屑。重新粗加工只加工粗加工无法到达的区域，通常选用较小的刀具，加工较大的粗加工切刀由于尺寸原因而无法进入的区域。由于钻头模具是石墨材质的，易于加工，且钻头冠部形状多为曲面连接，为避免过切可选用球刀作为加工刀具。

1.1 粗加工

粗加工应按钻头刀翼的尺寸及毛坯尺寸选择合适的加工刀具及开粗策略，如刀具及开粗策略选择不合适的话，可能会导致工件过切、刀具损坏等问题。本例中的Ø215mmR5625钻头粗加工选用的是Ø20mm的球刀进行粗加工，根据所用机床性能选择合适的主轴速度、跨距和最大台阶深度，并将计算最小刀具长度选中，以便CREO在刀路模拟时计算可接受的最小刀具长度并显示在信息提示窗中，本例中最小刀具长度为86.977mm（刀路模拟结果如图1所示）。

1.2 重新粗加工

重新粗加工以上一步骤的粗加工为参照序列，即随后要清除的NC序列，只能选取粗加工或重新粗加工序列。一般根据加工刀冀的圆角尺寸确定加工刀具，以便进入粗加工没有加工到的区域，重新粗加工后的模具加工余量厚度均匀。本例中选用Ø12mm的球刀进行加工，根据粗加工后的加工余量及机床性能选择合适的主轴速度、跨距和最大台阶深度，将粗加工允许余量设置为0。同样建议将计算最小刀具长度选中，以确定实际加工中所需的最小刀具长度。

图1 粗加工刀具路径

1.3 曲面铣削

经过粗加工和重新粗加工后，除切削齿位置外其他位置均已加工到位，由于切削齿加工精度高，应选用尽可能小的刀具进行加工。综合考虑加工效率与刀具损耗，一般选用Ø2mm的球刀进行加工。切削齿位置的精加工一般选用曲面铣削序列，但要注意根据切削齿的位置不同调整铣刀的加工角度，以满足切削齿的定位精度（如图2所示）。

按同样的方法编制其它四个刀翼的数控加工程序。

2 数控加工仿真

由于VERICUT是集成在CREO中的，可以从CREO中直接调用VERICUT进行数控加工仿真，选择想要进行仿真的NC序列，点击右键，在弹出的快捷菜单中选择材料移除模拟，经过一段时间的计算后，VERICUT仿真界面会自动弹出，点击仿真到末端按钮即可进行仿真。在VERICUT中切削刀具用紫色显示，毛坯用黄色显示，参考模型用红色显示，前次加工刀路用蓝色显示，本次加工刀路用绿色显示。

将一个刀翼的所有数控程序都仿真完成后，点击文件菜单，选择保存切削模型、VERICUT实体、Stock 1，保存整个刀翼的切削模型，以便在仿真下一个刀翼时调用。

在进行第二个刀翼的数控程序仿真时，进入VERICUT界面后，右键点击Stock 1(0 0 0)，在弹出的快捷菜单中选择删除，将原来的毛坯删除；再次右键点击Stock 1(0 0 0)，在弹出的快捷菜单中选择添加模型、模型文件，选择保存的上一刀翼的切削模型。由于两个刀翼的空间位置不同，需要在位置选项卡中旋转切削模型的位置，以使两个刀翼的位置与实际相符合，位置调整好后，点击仿真到末端按钮进行仿真，依此类推就可以将整个钻头模具模拟加工出来（如图3所示）。

图2 曲面铣削

图3 数控仿真结果

在仿真过程中，VERICUT会在信息提示栏中提示数控程序运行过程中的信息，特别是各种程序错误信息，包括过切、碰撞、刀杆切削等。要根据错误信息调整NC序列的参数以修正数控程序，提高数控程序的安全性。

3 实际验证

为了验证VERICUT仿真的有效性，在修正数控程序时，特别留了几处微小的过切。将各个NC序列分别进行后处理，并通过手工编程的方法将其串连成一个完整的Ø215mmR5625钻头数控加工程序。将数控程序输入数控加工中心进行加工，加工完成后，检查模具发现特意留出的几个小的过切果然存在，证明VERICUT仿真是有效的（如图4所示）。

4 结论

应用VERICUT对钻头模具数控加工程序进行仿真加工，可以解决：

（1）验证钻头模具数控程序的正确性，减少模具首件调试风险，增加程序的可用性。

（2）模拟数控加工中心的实际运动，检查潜在的碰撞危险，降低机床碰撞的风险。

（3）优化程序，提高加工效率，延长刀具使用寿命。

图4 实际加工结果