基于UG取暖器外壳型芯数控编程

冯晓杰

（广东松山职业技术学院机械工程学院，广东韶关512199）

1 引言

加工中心在模具零件加工中的应用非常广泛，大部分模具零件都是由加工中心进行加工的。但是塑料模具零件的结构非常复杂，其表面可以分成各种不同类型的曲面，比如胶位面、分型面、碰穿面等，还可以分成各种不同的特征，比如顶杆孔、镶件、斜顶孔等。对于实体上的这些特征和曲面，有不同的加工要求。对于工件上的胶位部分，应按照技术要求进行精加工；由于零件上的分型面用于封胶，在加工时应适当留余量，以便操作工人进行模具装配；在加工零件上的避空位时，应该适当过切，主要是方便操作工人装配模具；对于零件上的一些特殊孔位，比如顶杆孔、斜顶孔、镶件位等，这些位置不用加工中心加工，而是用线切割或者其他设备加工的，为了防止加工这些位置，在编程前应在实体图上删除或者封堵这些特征；对于无法加工拐角位置，为了便于电火花加工，应适当留余量。现在以取暖器外壳动模型芯为例，详细介绍数控编程基本步骤和方法。

2 在编程前整理实体

在动模型芯的实体上，有若干直径为ϕ6mm的圆孔，这些圆孔是顶杆孔，不需要加工中心加工，应该从实体上删除；塑件上有4个螺柱，在型芯上的对应位置是带斜度的圆孔，小头直径为ϕ10mm，在型芯上的4个位置是用线切割加工出来后，再用电火花加工，不需要加工中心加工，应该从实体上删除；工件上有4个直径为ϕ4mm，高度为6mm的圆柱，这4个圆柱是型芯上的镶件，不需要加工中心加工，应该从实体上删除；型芯上有6条筋位，宽度为1.6mm，深度为27mm，这6条筋位是用电火花加工，不需要加工中心加工，应该从实体上删除；工件上还有流道、运水孔、斜顶位等，不需要加工中心加工，应该从实体上删除。在UG上的操作方法是依次选取“菜单→插入→同步建模→删除面”命令，即可删除实体上的孔位、镶件、筋位、流道等，在流道和进浇口的中心位置绘制3段直线，用来编写流道和进浇口的程序。型芯实体如图1所示。

图1 动模型芯实体

3 在实体上对碰穿位、避空位进行编辑

在模具厂内的加工中心的工作环境非常恶劣，受机床抖动、机床磨损和机床本身精度的影响，所加工的工件尺寸会出现误差。如果在封胶位置出现过切，注塑时塑件就会出现披锋；如果在模具的装配位置没有加工到位，留了余量，就会出现装配困难的现象。为了避免出现上述两种情况，应提前进行预防，对于封胶位置适当留余量，对于可以避空的位置，应适当过切。为了便于数控编程人员编写程序，一般是在编程前对实体的碰穿位、避空位进行修改。在这个实体上，工件上表面中间的平台是碰穿位，留0.02mm余量，处理方式是平面往上抬0.02mm；锁紧位的上表面是避空位，可以过切0.5mm，处理方式是平面往下降0.5mm；锁紧位的侧面是定模、动模的配合位，留0.02mm余量，处理方式是侧面往外偏移0.02mm；在分型面上，距离胶位30mm以内的范围不留余量也不过切，距离胶位30mm以外的范围过切0.5mm，处理方式是平面往下降0.5mm。在UG上的操作方法是选取“菜单→插入→设计特征→拉伸”命令，以需要提升或下降的平面为草绘平面，如果平面需要提升，选择求和，如果平面需要降低，选择求差，如图2所示。

图2 对碰穿位、避空位进行编辑

4 加工工艺分析

使用的材料是738预硬钢，硬度为29～33HRC。为了使加工后的工件表面粗糙度达到技术要求，应选用硬度较高，且耐磨性较好的刀具。目前符合要求的刀具主要有两种：一种是高速工具钢，在其外表面涂一层耐磨、耐氧化的材料，成为钨钢刀，其硬度、耐磨性和耐热性都很高，常温硬度一般为89～93HRA，允许的切削温度高达800℃～1,000℃，即使在540℃时其硬度仍保持在77～85HRA。另一种是合金刀（即刀粒刀），是金属碳化物、碳化钨、碳化钛和以钴为主的金属粘结剂经粉未冶金工艺制造而成的。其主要特点能耐高温和高切削性，在800～1,000℃左右仍能保持良好的切削性能，比高速钢高4～8倍的切削速度。常温硬度高，耐磨性好。抗弯强度低，冲击韧性差，刀刃不易磨的很锋利。

在粗加工时，由于切削量较大，应选用合金刀（如ϕ35R6）进行加工。粗加工之后，工件表面余量不均匀，某些位置的切削量较大，对刀具的冲击较大，适合选用合金刀（如ϕ17R0.4）进行半精加工；半精加工之后，工件表面余量基本均匀，对于工件上不同的位置选用不同的刀具进行精加工，如工件上的曲面用ϕ10R5的钨钢球头刀；分型面是平面，适合用ϕ17R0.4的合金刀；由于实体上表面的凹坑与凸台侧面之间的距离较小，这个位置选用ϕ10钨钢立铣刀加工；型芯上的流道用ϕ6R3的钨钢球头刀加工，进浇口用ϕ4R2的钨钢球头刀加工。

由于在实体上已经对过切和放余量的位置进行了整理，因此，在进行精加工数控编程时，不需要对刀路放余量或者过切，只需要将余量设为0。在开粗时，选用型腔铣削刀路，单边留0.5mm余量；在半精加工时，选用等高铣削刀路，单边留0.15mm余量；在精加工时，如果是加工实体上的曲面，选用平行刀路，如果是加工实体上的斜面，选用等高铣削刀路，如果是加工实体上的平面，选用平面刀路，不留余量；如果是加工型芯上的流道，选用等高刀路。

5 编写刀路的过程

5.1 设置几何体创建刀具

（1）依次选择“应用模块→加工”按钮，在【加工环境】对话框中选择“cam_general”和“mill_planar”命令，单击“确定”命令后，进入UG加工模式。

（3）在工具栏中选择“创建刀具”按钮，创建ϕ35R6（合金刀）、ϕ17R0.4（合金刀）、ϕ10（钨钢立铣刀）、ϕ12R6（钨钢球头刀）、ϕ6R3（钨钢球头刀）、ϕ4R2（钨钢球头刀）6种刀具。

5.2 设计开粗刀路

在UG中，用于开粗的刀路有很多种，在这里使用“带边界面铣削”刀路编写开粗刀路，具体步骤是:

（1）在工具栏中选择“创建工序”命令，在弹出的【创建工序】对话框中，在“类型”栏中选择选“mill_planar”，在“工序子类型”栏中选取“带边界面铣”选项，将“程序”设为“NC_PROGRAM”、“刀具”设为“ϕ35R6”、“几何体”设为“WORKPIECE”、“方法”设为“METHOD”。

（2）单击“确定”按钮，在【面铣】对话框中选择“指定面边界”按钮，选择分型平面的4条边线，再将“切削模式”设为“往复”，将“步距”设为“%刀具平直”、“平面直径百分比”设为65%、“毛坯距离”设为43mm、“每刀切削深度”设为1mm、“最终底面余量”设为0.3mm。

（3）选择“切削参数”命令按钮，在【切削参数】对话框中选择“策略”选项卡，将“切削方向”设为“顺铣”、“切削角”设为“指定”、“与XC的夹角”设为180；选择“余量”选项卡，将“部件余量”设为0.3mm，“壁余量”设为0.25mm。

（4）在工件上有若干拐角位需要加工，在加工拐角时，刀具的受力面积较大，刀刃容易受损，因此应将拐角位的利角刀路设为圆角刀路。在编程时可以在UG上对刀路进行圆角设定，步骤如下：在【切削参数】对话框中选择“拐角”选项卡，将“凸角”设为“绕对象滚动”，在“光顺”栏中选择“所有刀路”，将“半径”设为50%。

（6）选择“进给率和速度”命令按钮，将“主轴速度”设为1,500r/min，“进给率”设为2,000mm/min。

（7）单击“生成”按钮，生成开粗刀路，如图3所示。

图3 开粗刀路

5.3 设计针对拐角区域的刀路

工件上有许多拐角，在开粗后，拐角区域的余量较多，应针对拐角位置设计一个刀路来切削拐角位置的余量，具体步骤是先绘制4个矩形草图，将拐角区域围起来，用ϕ17R0.4的合金刀，用UG中剩余铣削的刀路进行编程，切削开粗刀路中未切削的拐角区域。具体步骤是：在工具栏中选择“创建工序”命令，在弹出的【创建工序】对话框中，在“类型”栏中选择选“mill_contour”，在“工序子类型”栏中选取“剩余铣”选项，将“程序”设为“NC_PROGRAM”、“刀具”设为“ϕ17R0.4”、“几何体”设为“WORKPIECE”、“方法”设为“METHOD”。选择4个矩形草图为修剪边界，修剪矩形草图以外的刀路，其余参数的设置参照开粗刀路的设置方法，针对拐角区域的刀路如图4所示。

图4 拐角区域的刀路

5.4 半精加工刀

针对拐角区域的铣削完成之后，基本完成粗加工，此时工件上的余量多，在精加工之前，还要进行半精加工。半精加工的刀路用ϕ17R0.4的合金刀，用等高切削工艺加工。具体步骤是：在工具栏中选择“创建工序”命令，在弹出的【创建工序】对话框中，在“类型”栏中选择选“mill_contour”，在“工序子类型”栏中选 取“ 深 度 轮 廓 铣 ”选 项 ，将“ 程 序 ”设 为“NC_PROGRAM”、“刀具”设为ϕ17R0.4、“几何体”设为“WORKPIECE”、“方法”设为“METHOD”，选择底面为修剪边界，将工件以外的刀路修剪，其余参数按照开粗刀路的设置方法，等高切削刀路如图5所示。

图5 等高切削刀路

当ϕ17R0.4的合金刀加工完成之后，工件上面的矩形凸台与凹坑侧壁之间的距离小于ϕ17R0.4合金刀的直径，无法切削；凹坑的4个圆角为R7.5mm，小于ϕ17R0.4刀具的半径，4个圆角的侧壁没有切削到位，余量较多，为了切削此处的余量，应用ϕ10立铣刀进行切削，用UG中剩余铣削的刀路对上述位置进行编程，具体步骤参考图4的步骤，刀路如图6所示。

图6 切削矩形凸台与凹坑侧壁之间的余量

5.5 精加工刀路

动模型芯上有分型面、碰穿位、胶位面、避空位、锁紧位等不同功能的曲面，还要流道需要加工，这些曲面在动模型芯中所起的作用不同、曲面的形状也不相同，因此，在编写这些曲面的刀路时，最好是分开编写程序。

（1）编写胶位面的精加工程序。在编写胶位面的精加工程序时，按实体的尺寸进行加工，不需要留余量，也不需要过切。为了体现工件上的不同曲面，保证工件拐角的流线状，对不同结构曲面设计不同的刀路。在该工件上有斜位曲面、倒圆角曲面、圆弧面等，对于圆弧曲面，用ϕ10R5的钨钢刀用平行切削的刀路进行加工，对于斜位曲面，用ϕ17R0.4的合金刀用等高铣削的刀路进行切削，对于工件上的倒圆角曲面，用ϕ6R3的钨钢刀用流线性的刀路进行加工，如图7a所示。在用ϕ6R3的钨钢刀用流线性的刀路加工之后，在用ϕ17R0.4的合金刀清理根部，如图7b所示。对不同曲面选用不同的刀路，最能体现工件上的曲面结构。

图7 用不同的刀路切削不同的曲面

（2）编写分型面及分型面上的避空位刀路。型芯上的分型面及分型面上的避空位是平面，适合用ϕ17R0.4的合金刀，由于在实体上已经对该分型面做出了避空位，不需要在编程时再次避空。在加工分型面时应实体加工，不需要放余量。由于分型面是平面，应以加工平面的刀路加工该型芯的分型面及避空位，刀路如图8所示。

图8 设计分型面及分型面上的避空位的刀路

（3）编写锁紧位的刀路。在分型面的4个角位上有4个凸起，它的作用是定位，防止型芯、型腔产生错位，为了防止机床本身的精度原因产生过切，同时也为了方便钳工装配，在编写程序时，4个凸起的侧面预留0.03mm的余量。这4个凸起的刀路是用ϕ17R0.4的合金刀等高切削，在实体上锁紧位的顶面已经降低0.5mm，不需要再在数控编程时对顶面进行过切0.5mm，具体刀路是平面铣削刀路，用ϕ17R0.4的合金刀进行加工，铣削锁紧位的刀路如图9所示。

图9 设计锁紧位的刀路

（4）编写凸台的刀路。型芯上表面有一个长方形凹坑（204×54×13mm），凹坑4个角位的圆角位R7mm，在凹坑的中间有一个凸台（125×25×4mm），凸台侧边与凹坑侧壁的宽度为14.4mm，不能用ϕ17R0.4的合金刀进行加工凸台侧边与凹坑侧壁之间的空间，可以选用ϕ10R0的钨钢立铣刀加工凹坑及凸台，其中凹坑底部的平面、凸台的上表面用平面铣削方式进行加工，凹坑的侧面及4个圆角用等高铣削刀路，如图10所示。

图10 设计凹坑及凸台刀路

（5）编写流道及进浇位刀路。

流道和进浇口的加工程序的编写方法比较简单。先在流道的中心绘制流道的轨迹曲线，再用这条曲面拉出一个片体，然后用曲面驱动的刀路，用成型刀就可以直接加工出流道。如果进浇口的是直浇口，也可以用方法加工浇口，非常方便。

5.6 刀路仿真

数控铣床的程序编写完成之后，为了检查刀路是否正确，是否过切，应对所编写的刀路进行仿真，如果刀路出现异常，应修改异常的数控程序，仿真效果图如图11所示。

图11 仿真效果图

6 总结

在对塑料模具的型腔和型芯编写数控程序前，应先分析塑件结构及模具结构，再对型腔和型芯进行详细的分析，将零件表面的不同曲面（比如胶位面与碰穿面）严格区分，删除实体上不需要加工的特征，对于零件上需要按尺寸加工的位置，需要避空的位置，需要留余量的位置，需要用电火花放电的位置，都必须充分了解，不能混淆。

一名优秀的模具零件数控编程人员，除了至少掌握一门数控编程软件外，还必须非常了解模具零件材料的加工特性、模具的各种结构、数控刀具的特点与性能、加工中心的功率与加工范围，除此之外，还必须有长期的实际工作经验。在数控编程前，数控编程人员必须对模具零件的结构进行分析，必要时还需要与模具设计师、模具钳工进行充分的沟通，了解模具零件的技术要求，才能编写出合格的数控程序。

对于刚刚学习数控编程的技术人员来说，除了学习编程软件的应用以外，还要学习数控机床的基本操作，模具结构以及材料的加工特性。只有努力学习，才能成为一名优秀的数控编程人员。