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摘要：加工具有复杂曲面特征的型腔模具，且保证加工质量与加工效率，必须从加工工艺、刀具及自动编程软件等方面综合考虑。[1]本文即针对材质为3Cr2NiMo的注塑模具型腔进行数控加工编程，通过分析其结构特点，制定加工艺，并根据UG NX数控编程制点选择合适的加工工序，并通过其加工线路及切削用量优化功能，使模具的加工质量达到较为理想的程度。
关键词：复杂曲面;模具;UG NX;数控编程
引言
基于模具的应用及结构特点，模具制造加工水平的程度直接反应了一个国家综合加工技术水平。在模具的加工应用中，精密、大型、复杂的模具在整个模具行业的地位越来越重要，其所占的比重已达40%，为了适应这一发展趋势，数字化制造技术模具加工上的应用愈加广泛。对于模具数字化制造而言，数控加工是其最重要的一点。
对于数控加工而言，在数控加工设备等硬件相同的条件下，所编制加工程序的合理与否，直接影响到被加工件的加工质量。对结构相对简单的部件，应用手工编程即可完成加工程序的编制，但对于结构复杂的模具来说，复杂的曲面特征，已使手工编程变得极为复杂，将耗费大量的时间，且不宜保证产品的加工精度。
数控编程软件便由此应运而生，使用其进行产品加工的程序编制，可极大地减少由编程而带来的辅助加工时间，尤其在被加工对象结构复杂时，优势更为明显。一款好的数控编程软件，不但可以提供多种加工策略，且可针对所生成的加工路径对切削参数、刀轨进行优化，提高产品的加工效率及加工质量。[2]
UG（Unigraphics NX）是一种高度集成的计算机辅助设计、分析、制造软件，是由Siemens PLM Software公司出品的。广泛应用于机械行业的多个领域，可以对数控车床、加工中心、多轴数控加工设备、车铣复合设备、线切割等进行数控加工程序的编制。尤其在mill_contour模块，拥有型腔铣、插铣、流线、陡峭区域轮廓铣、清根等多达20种的加工策略，涵盖了产品从粗加工到精加工的全过程，功能异常强大，在数控自动编程软件的应用中可占到50%左右。[3]
1.复杂曲面模具加工分析
复杂曲面模具如图1所示，所加工区域为其内部型腔，其余面已加工完成，模具整体尺寸为260mm×160mm×80mm。
图1 模具结构图
由图1可知，在型腔内部有两个孤岛、一个圆锥台及四个边角矩形台，四个侧面均为拔模角为5°的拔模面，且型腔内部内凹圆弧面及外凸圆弧面较多，结构较为复杂。
2.编制加工工艺
在制定加工工艺时，首先按照常规的加工工艺确定此复杂曲面模具的加工由粗加工及精加工两大工序完成。[4]
在粗加工时，为保证加工效率，其主要目的是尽可能快地去除材料，并留有一定的加工余量。故在应用UG NX进行数控编程时，选用型腔铣做为粗加工策略，并选用刀具为端铣刀，铣刀直径为15mm。此模具材质为3Cr2NiMo，硬度为32～36HRC，故可设定主轴转速为1500r/min，进给速度为300mm/min。
精加工的主要目的是为了保证产品的加工质量。但此模具结构复杂，不宜采用一柄刀具、一种加工策略来完成。可初步设定主轴转速为2000r/min，进给速度为250r/min，后期根据不同的加工策略进行调整和优化。
对有四个拔模角度的侧面，因其拔模角较小，属较为陡峭区域，故采用陡峭区域直接轮廓铣加工策略，且因侧面间的连接半径为3mm，故选用直径为6mm的球铣刀;圆锥台侧面的加工亦同样选用陡峭区域直接轮廓铣加工策略。
型腔的底面及四个边角矩形台、两个孤岛的顶面与侧面，均由平面与垂直面组成，宜采用端铣刀的底面及侧刃加工。故此在UG NX中选用底壁加工策略，刀具选用直径为6mm的端铣刀。
对于型腔中的外凸圆弧面，采用曲面区域轮廓铣的加工策略，并选用直径为6mm的球铣刀。
针对型腔中的内凹圆弧面，因其圆弧半径较小，宜采用单刀路清根的加工策略，并选用与内凹圆弧面半径一致的球铣刀。
3.UG NX相关参数设置
在确定加工工艺后，需根据所采用的加工策略及加工对象进行参数的进一步设置，并生成刀轨。
在设置型腔铣加工策略用于粗加工时，选用“MILL_ROUGH”作为加工方法，设定部件加工余量为1mm。切削模式为“跟随部件”，步距为刀具直径的50%，最大切削深度为6mm。为保护切削刀具，选择进刀与退刀类型均为“螺旋”。选择区域排序为“优化”，并选中“在生成时优化进给率”选项。
精加工时，针对侧面与圆锥台侧面的加工，需要分别建立陡峭区域直接轮廓铣加工策略工序，并根据不同的几何形状结构，在四拔模侧面的加工时，选用“流线”作为驱动方法，圆锥台侧面的加工选用“螺纹式”作为驱动方法。方法均选用 “MILL_FINISH”。最大刀距选择为刀具直径的10%，并选中 “优化刀轨” 选项。
在进行底壁加工策略的设置时，切削区域范围为“壁”，切削模式为“跟随部件”，步距为刀具直径的75%，方法选用 “MILL_FINISH”。设定拐角处的刀轨形状“光顺”为“所有刀路”。
在曲面区域轮廓铣加工策略设置时，选用 “区域铣削”作为驱动方法。方法选用 “MILL_FINISH”。设定步距为0.5mm，并选中 “优化刀轨”选项。 单刀路清根加工策略的设置较为简单，除去常规设置外，仅需设置“非陡峭切削模式”为“单向”即可。
在所有工序设置完成后，可得刀轨路径如图2 所示，运行仿真可得结果如图3所示，得到数控加工时间为40分钟。
图2 复杂曲面模具刀轨图
图3 切削模拟后产品图
根据生成的刀轨，点击“后处理”按钮，选择“MILL_3_AXIS”作为处理器，生成加工程序代码如图4所示。
图4 数控程序代码
4.结论
由图2可知，在有拔模角度的陡峭区域、外凸圆弧曲面区域均设置了较密的刀轨，有利于减少因加工而产生的残留高度、保证模具加工质量。在平面区域，刀轨路径较疏松，有利于提高模具的加工效率。
针对具有复杂曲面特征结构的模具进行数控自动编程时，应首先对曲面特征结构进行分析，然后根据软件特点，选择合适的加工策略，才能达到较为理想的数控编程质量。
参考文献：
[1]葛付存.模具数控加工质量的因素分析.信息与电脑[J].信息与电脑，2010（01）.
[2]高国利，张森，胡作寰.基于UG的数控编程关键技术研究[J].模具工业，2011（06）.
[3]李艳霞.基于UG的型腔铣削数控编程的应用技巧[J].机床与液压，2010（20）.
[4]李文君，刘晓超.基于CAXA的可乐瓶底模具数控加工方法的比较研究[J].机电工程技术，2009（09）.
关键词：复杂曲面;模具;UG NX;数控编程
引言
基于模具的应用及结构特点，模具制造加工水平的程度直接反应了一个国家综合加工技术水平。在模具的加工应用中，精密、大型、复杂的模具在整个模具行业的地位越来越重要，其所占的比重已达40%，为了适应这一发展趋势，数字化制造技术模具加工上的应用愈加广泛。对于模具数字化制造而言，数控加工是其最重要的一点。
对于数控加工而言，在数控加工设备等硬件相同的条件下，所编制加工程序的合理与否，直接影响到被加工件的加工质量。对结构相对简单的部件，应用手工编程即可完成加工程序的编制，但对于结构复杂的模具来说，复杂的曲面特征，已使手工编程变得极为复杂，将耗费大量的时间，且不宜保证产品的加工精度。
数控编程软件便由此应运而生，使用其进行产品加工的程序编制，可极大地减少由编程而带来的辅助加工时间，尤其在被加工对象结构复杂时，优势更为明显。一款好的数控编程软件，不但可以提供多种加工策略，且可针对所生成的加工路径对切削参数、刀轨进行优化，提高产品的加工效率及加工质量。[2]
UG（Unigraphics NX）是一种高度集成的计算机辅助设计、分析、制造软件，是由Siemens PLM Software公司出品的。广泛应用于机械行业的多个领域，可以对数控车床、加工中心、多轴数控加工设备、车铣复合设备、线切割等进行数控加工程序的编制。尤其在mill_contour模块，拥有型腔铣、插铣、流线、陡峭区域轮廓铣、清根等多达20种的加工策略，涵盖了产品从粗加工到精加工的全过程，功能异常强大，在数控自动编程软件的应用中可占到50%左右。[3]
1.复杂曲面模具加工分析
复杂曲面模具如图1所示，所加工区域为其内部型腔，其余面已加工完成，模具整体尺寸为260mm×160mm×80mm。
图1 模具结构图
由图1可知，在型腔内部有两个孤岛、一个圆锥台及四个边角矩形台，四个侧面均为拔模角为5°的拔模面，且型腔内部内凹圆弧面及外凸圆弧面较多，结构较为复杂。
2.编制加工工艺
在制定加工工艺时，首先按照常规的加工工艺确定此复杂曲面模具的加工由粗加工及精加工两大工序完成。[4]
在粗加工时，为保证加工效率，其主要目的是尽可能快地去除材料，并留有一定的加工余量。故在应用UG NX进行数控编程时，选用型腔铣做为粗加工策略，并选用刀具为端铣刀，铣刀直径为15mm。此模具材质为3Cr2NiMo，硬度为32～36HRC，故可设定主轴转速为1500r/min，进给速度为300mm/min。
精加工的主要目的是为了保证产品的加工质量。但此模具结构复杂，不宜采用一柄刀具、一种加工策略来完成。可初步设定主轴转速为2000r/min，进给速度为250r/min，后期根据不同的加工策略进行调整和优化。
对有四个拔模角度的侧面，因其拔模角较小，属较为陡峭区域，故采用陡峭区域直接轮廓铣加工策略，且因侧面间的连接半径为3mm，故选用直径为6mm的球铣刀;圆锥台侧面的加工亦同样选用陡峭区域直接轮廓铣加工策略。
型腔的底面及四个边角矩形台、两个孤岛的顶面与侧面，均由平面与垂直面组成，宜采用端铣刀的底面及侧刃加工。故此在UG NX中选用底壁加工策略，刀具选用直径为6mm的端铣刀。
对于型腔中的外凸圆弧面，采用曲面区域轮廓铣的加工策略，并选用直径为6mm的球铣刀。
针对型腔中的内凹圆弧面，因其圆弧半径较小，宜采用单刀路清根的加工策略，并选用与内凹圆弧面半径一致的球铣刀。
3.UG NX相关参数设置
在确定加工工艺后，需根据所采用的加工策略及加工对象进行参数的进一步设置，并生成刀轨。
在设置型腔铣加工策略用于粗加工时，选用“MILL_ROUGH”作为加工方法，设定部件加工余量为1mm。切削模式为“跟随部件”，步距为刀具直径的50%，最大切削深度为6mm。为保护切削刀具，选择进刀与退刀类型均为“螺旋”。选择区域排序为“优化”，并选中“在生成时优化进给率”选项。
精加工时，针对侧面与圆锥台侧面的加工，需要分别建立陡峭区域直接轮廓铣加工策略工序，并根据不同的几何形状结构，在四拔模侧面的加工时，选用“流线”作为驱动方法，圆锥台侧面的加工选用“螺纹式”作为驱动方法。方法均选用 “MILL_FINISH”。最大刀距选择为刀具直径的10%，并选中 “优化刀轨” 选项。
在进行底壁加工策略的设置时，切削区域范围为“壁”，切削模式为“跟随部件”，步距为刀具直径的75%，方法选用 “MILL_FINISH”。设定拐角处的刀轨形状“光顺”为“所有刀路”。
在曲面区域轮廓铣加工策略设置时，选用 “区域铣削”作为驱动方法。方法选用 “MILL_FINISH”。设定步距为0.5mm，并选中 “优化刀轨”选项。 单刀路清根加工策略的设置较为简单，除去常规设置外，仅需设置“非陡峭切削模式”为“单向”即可。
在所有工序设置完成后，可得刀轨路径如图2 所示，运行仿真可得结果如图3所示，得到数控加工时间为40分钟。
图2 复杂曲面模具刀轨图
图3 切削模拟后产品图
根据生成的刀轨，点击“后处理”按钮，选择“MILL_3_AXIS”作为处理器，生成加工程序代码如图4所示。
图4 数控程序代码
4.结论
由图2可知，在有拔模角度的陡峭区域、外凸圆弧曲面区域均设置了较密的刀轨，有利于减少因加工而产生的残留高度、保证模具加工质量。在平面区域，刀轨路径较疏松，有利于提高模具的加工效率。
针对具有复杂曲面特征结构的模具进行数控自动编程时，应首先对曲面特征结构进行分析，然后根据软件特点，选择合适的加工策略，才能达到较为理想的数控编程质量。
参考文献：
[1]葛付存.模具数控加工质量的因素分析.信息与电脑[J].信息与电脑，2010（01）.
[2]高国利，张森，胡作寰.基于UG的数控编程关键技术研究[J].模具工业，2011（06）.
[3]李艳霞.基于UG的型腔铣削数控编程的应用技巧[J].机床与液压，2010（20）.
[4]李文君，刘晓超.基于CAXA的可乐瓶底模具数控加工方法的比较研究[J].机电工程技术，2009（09）.