NX软件在异形型面零件数控加工中的应用*

□ 郭 晟 □ 刘存平

宜宾职业技术学院 智能制造学院 四川宜宾 644000

1 研究背景

数控机床是工业母机,数控技术是工业技术水平及综合国力的重要标志。在数控加工技术中,一个重要的环节是零件加工程序的编制。传统编程方式效率低,有时还会出错,随着产品日趋差异化、个性化、复杂化,已越来越不适用。随着现代信息技术和计算机技术的进步,当代智能制造技术蓬勃发展,计算机辅助设计、工程、制造日趋完善,众多数字化设计与制造软件在实际生产中得到越来越广泛的应用,使生产工艺流程大为简化,产品生产周期显著缩短,促成了生产成本的降低。

在复杂的异形型面零件加工中,变轴加工已得到广泛应用。变轴加工仅通过一次装夹就能实现零件加工,可以提高加工精度,节约能耗和工时,降低加工成本。当前流行的数字化设计与制造软件基本都具有变轴加工功能模块。NX软件具有优良的界面与流畅的工作流程,能够基于工作过程对产品的设计与制造进行人机对话,实现可视化设计与虚拟验证,可以有效实现降耗节能。笔者对NX软件在异形型面零件数控加工中的应用进行研究。

2 NX软件数控编程工作流程

NX软件在型面零件加工方面具有强大的功能,加工编程思路清晰,通用工作流程如图1所示。

NX软件的曲面数控加工功能强大,可以通过平面铣、型腔铣、轮廓铣、变轴铣等不同方法完成复杂异形型面零件的数控自编程加工及三维刀具轨迹模拟验证。笔者应用NX软件,通过型腔铣粗加工、固定轴轮廓铣半精加工、区域轮廓铣精加工、变轴曲面轮廓加工,实现某复杂异形型面零件的数控加工自编程。

3 零件情况

某异形型面零件如图2所示。零件的底座为200 mm×200 mm×20 mm正方体,总高为150 mm,型面主要有球面、凹腔弧面、碗形圆弧面、过渡圆弧面,材料为进口P20模具钢。零件下表面和周侧面均已加工到位,需要加工最大球面半径为75 mm,凹腔弧面半径为55 mm,过渡圆弧半径为1.5 mm的曲面,这些型面的加工精度要求都较高。对于这一零件,需要借助数字化软件进行三维造型与自动编程,实现零件的高效、高精度加工。

4 加工工艺分析

(1) 选用机床。分析异形型面零件特征,固定轴加工不能一次装夹实现零件加工,凹腔弧面的成型需要应用变轴铣加工,因此选用多轴数控加工中心。

(2) 装夹。以底面进行装夹,在机床C轴上用专用夹具固定底面。多轴加工通过一次装夹就可以实现整个零件的多角度、多方位加工,能够有效避免加工过程中过切、干涉、加工不到位、空行程过长等不良现象,进而实现高精度、高效率加工。

(3) 设置加工坐标系。NX软件具有强大的坐标系设定功能,为方便快速对刀,使加工坐标系与工件坐标系两者一致,将加工原点取为零件底面中心点。考虑到加工中刀具需要绕过装夹,应设置安全高度,以免干涉。也要考虑空行程不能过长的问题,以免浪费工时。安全平面不应过高,需要酌情设置。

(4) 安排工序。根据待加工型面的特点,安排型腔铣粗加工,半精加工选用固定轴轮廓铣,并安排区域轮廓铣精加工、变轴曲面轮廓加工,具体加工工序见表1。

表1 加工工序

(5) 选用刀具。粗加工时,在满足工艺刚性与加工要求的前提下,主要追求加工效率,为避免过切,选用直径为16 mm的立铣刀。根据待加工型面的特点,半精加工选用直径为8 mm的球头铣刀。根据过渡圆弧面最小圆角半径为1.5 mm,精加工时选用直径为3 mm 的球头铣刀。变轴曲面轮廓加工同样选用直径为3 mm的球头铣刀。

5 数控加工程序设计

笔者利用综合性数字化设计软件NX 12.0进行异形型面零件的数控加工程序设计,可以较好地实现三维动态加工仿真与刀轨验证,借助计算机仿真和虚拟制造技术,大幅提升生产效率和加工质量。

数控加工前,在建模模块中将毛坯和零件成品的数字模型构建好,进入轮廓铣加工环境。在工序创建前,先参照加工工艺分析与加工工序,将几何体、刀具、加工方法等节点创建好。

5.1 粗加工

在零件型腔与型芯的加工中,以型腔铣来进行粗加工。粗加工的主要任务是去除大部分加工余量,追求加工效率是主要目标。要得到高的加工效率,选用工艺参数时需要综合衡量加工方法、切削余量、切削用量、走刀方式、进退刀方式。在满足加工系统工艺刚性和工作要求的前提下,为节约工时,粗加工可选用较大的进给量。型腔铣粗加工时,采用层切的方式进行单节距铣,刀路为阶梯层状,这样可以大量减少空刀现象,实现高效粗加工,同时延长刀具寿命。依照前述加工工艺分析,选用直径为16 mm的立铣刀,刀轴为+Z方向,选用跟随部件切削模式,步距采用刀具平面直径的50%。为减小对刀具的振动与冲击,采用圆弧进出刀方式,能够保护刀具。

通过型腔铣粗加工,毛坯多余材料得到快速切除。根据加工工艺分析进行工艺参数设定,按照NX软件数控编程通用工作流程,进行刀具、几何体等节点组的创建,然后创建操作,通过二维及三维模拟加工进行验证,优化刀轴,避免干涉、过切、欠切、过长空行程等不良现象,生成型腔铣程序粗加工,三维仿真效果如图3所示。

经过型腔铣粗加工后,基本轮廓与形状已经生成,层状刀路粗糙,远不能满足加工要求。依照加工工序,下一步进行半精加工操作。

5.2 半精加工

通过粗加工,已去除大部分余料。由粗加工仿真结果可以看到,零件型面上分布有不均匀的台阶状余量,对此安排半精加工,可以使余量均匀,同时为后续精加工做好准备。

加工方法丰富的NX软件具有三轴加工固定轴轮廓铣功能,对于零件的半精加工而言适用性非常高。根据加工工艺分析,选用直径为8 mm的球头铣刀,加工余量设为0.3 mm,并设好进给量、主轴转速等工艺参数,按照NX软件数控编程通用工作流程选择刀具、加工方法、几何体等节点组,并设置子类型和驱动方式。为减小变形,使刀具切削部位得到毛坯刚性支持,采用从内到外的环切走刀方式。固定轴轮廓铣半精加工刀轨如图4所示,三维仿真效果如图5所示。

通过固定轴轮廓铣半精加工,进一步去除了部分余料,减小了零件型面表面粗糙度值。为使零件型面达到设计与使用要求,后续安排精加工操作。

5.3 精加工

零件型面的精加工可以采用区域轮廓铣进行。基于零件加工面轮廓特征,切削模式选择跟随周边。为减小振动,保证加工质量,选用螺旋进刀方式和顺铣法。在选用刀具时,考虑过渡圆弧面最小圆角半径为1.5 mm,选用直径为3 mm的球头铣刀。刀具材料选用合金钢,合金钢刀具具有良好的刚性,使因弹刀对加工面引起的不良影响大为减小。在工艺参数设置时,主要有主轴转速、加工行距、进给速度等。为提高零件型面精度,采用小吃刀量、快速进给、高刀路密度等方法,主轴转速为3 000 r/min,步距为刀具平面直径的15%,进给速度为100 mm/min。按照NX软件数控编程通用工作流程,生成刀轨并进行三维仿真验证,区域轮廓铣精加工三维仿真效果如图6所示。

5.4 变轴加工

通过区域轮廓铣精加工后,零件大部分型面已达到设计与工作要求,但凹腔弧面还需要安排变轴加工,这样才能在仅一次装夹的情况下实现整个零件型面的加工,提升定位精度,缩短辅助时间。通过NX软件的变轴铣加工功能,可以实现X轴、Y轴、Z轴、A轴联动加工,达到加工目标,并且刀轨流畅,加工质量高。

变轴加工时,选择合适的驱动类型和刀轴控制方式是设计刀轨的关键。应用NX软件变轴铣加工功能对零件复杂型面与曲面进行加工时,投影矢量及刀轴控制的优劣对加工曲面的精度和质量有直接影响。对于所加工的零件,选用曲面区域驱动类型,投影矢量为(0,0,-1),以垂直于驱动的方式来控制刀轴。其余工艺参数根据加工工序进行设置,参照NX软件数控编程通用工作流程,进行刀轨设计和三维仿真验证。变轴曲面轮廓加工刀轨如图7所示,三维仿真效果如图8所示。

零件具有复杂曲面,通过型腔铣粗加工、固定轴轮廓半精加工、区域轮廓铣精加工、变轴曲面轮廓加工的刀轨设计和三维仿真验证,确认加工效果较好,零件型面已达到设计与工作要求,最终加工效果如图9所示。

6 后处理

经仿真验证,异形型面零件加工中没有干涉、加工不到位、过切等不良情况,也不存在过长的空行程,可以生成刀轨。由于生成的刀轨源文件不能被数控机床直接识别,因此必须进行相应的后处理。NX计算机辅助制造模块具有丰富的后处理功能,能够将刀轨源文件转换为G代码,由数控机床识别。

7 结束语

NX软件数字化设计与制造功能强大,对于具有复杂型面的异形型面零件而言,应用NX软件自编程与变轴加工功能,可以轻松完成加工。通过NX软件进行三维仿真验证,可以有效避免干涉、过切、欠切、过长空行程等不良情况,减小人为误差,提升加工精度,缩短编程时间,进而高效、高质实现生产。笔者通过应用NX软件,实现了异形型面零件加工中的三维造型、自编程、三维仿真验证,数控加工程序可靠、准确,通过后处理转换,可以用于实际生产。