基于NX8.5的倒型腔曲面的三軸數控加工

撰文/天津重型裝備工程研究有限公司　周鐵玲

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基于NX8.5的倒型腔曲面的三軸數控加工

撰文/天津重型裝備工程研究有限公司周鐵玲

在機械加工過程中, 經常由于加工條件受限，需要采用三軸數控機床加工如圖1所示的零件，此類零件存在一些法向矢量與刀具軸矢量夾角大于90°的曲面,給加工帶來一定的難度，此類零件特征被稱為“倒型腔”。

對于截面形狀復雜的倒型腔,無法使用宏程序編程,需要借助計算機軟件進行輔助編程。Siemens公司的NX CAM是一種成熟的計算機輔助編程軟件，可靠性高。隨著該軟件版本的提高，軟件的功能也不斷增強，但是由于軟件內部算法安全性等問題，使用該軟件的三軸加工功能加工倒型腔類的零件仍然存在一定的困難。本文針對該問題進行了多方面的研究，利用軟件結合實際經驗總結出了兩種倒型腔曲面零件的加工方法，解決了復雜曲面倒型腔的三軸數控加工難題。

圖1　倒型腔曲面零件

一、編程思路

對于圖1所示的型腔類零件，無論毛坯是鍛件還是鑄件,都需要先進行粗加工,然后再精加工。

若毛坯是實心的鍛件毛坯，則首先需要利用鉆頭、刀盤等先進行開粗加工，將封閉區域加工成矩形直面或階梯面作為軟件編程的毛坯，再利用軟件生成粗精加工程序進行粗精加工。若毛坯是鑄件，余量比較均勻，則可以將零件曲面進行均勻偏置作為軟件編程的毛坯，再利用軟件生成粗精加工程序進行粗精加工。

但是無論是哪種毛坯，在余量較多時都不能直接沿零件輪廓三軸聯動加工，需要沿刀軸方向逐層切削零件輪廓成型。因此，利用軟件編制出沿刀軸方向逐層切削的程序是完成此類零件加工的關鍵。

二、加工刀具

1.刀具選擇

適合三軸加工該類曲面零件的刀具有成形銑刀和圓弧三面刃銑刀。成形銑刀可以在普通機床上加工出與零件形狀一樣的表面，加工效率高，使用方便，但是需要針對零件單獨設計，成本較高。圓弧三面刃銑刀可以利用圓弧刀片的側刃甚至后刃切削，在不轉動刀軸矢量的情況下,仍可以加工曲面法向矢量與刀具軸夾角大于90°的曲面,而且圓弧三面刃銑刀是常用標準刀具,可以很方便的通過刀具樣本選擇型號尺寸合適的圓弧三面刃刀具。因此,在加工此類零件時一般首選圓弧三面刃銑刀。

2.刀具參數確定

以圖1所示零件為例，選用圓弧三面刃銑刀在三軸數控機床加工此零件時，具體尺寸參數選用不但要根據零件圓弧大小及進退刀空間確定刀具直徑尺寸D、長度尺寸L外，還有一個不可忽視的重要參數a，此參數反映刀具直徑與刀柄直徑的差值，需根據待加工型腔邊界徑向深度選擇。如圖2所示，零件徑向最大深度為35mm，即所選刀具a尺寸需大于35mm。若選用一把D160的三面刃刀盤，則所選用刀柄的直徑d應小于160-35×2=90mm，考慮適當的安全距離c，選用D80mm刀柄較合理。

圖2　型腔邊界預向深度示意圖

3.軟件刀具建模

使用NX CAM軟件建立此刀具模型時，首先選擇刀具子類型為“T型刀”,根據對話框圖示尺寸依次輸入刀具直徑160、頸部直徑80、下半徑8，上半徑8、長度400及刀刃長度16，生成刀具模型如圖3所示。此時顯示刀具零點在前端面，因此使用此刀具加工對刀時按刀具前刀面對刀。

三、軟件編程

1.型腔銑

NX8.5軟件型腔銑的功能很強大，它夠識別零件幾何體,將零件待加工面沿刀軸方向分成若干層，計算出每個切削層上不同的刀軌形狀,使用平面的切削刀路一層層移除材料，形成平行零件輪廓的刀軌。

以圖1所示零件為例，按照型腔銑操作的一般方法設置幾何體、工具等參數，其中刀具選擇“D160R8（銑刀-T型刀）”、刀軸選擇默認“+Z軸”、切削模式選擇“輪廓加工”、切削參數選項卡設置余量為0、切削方向選擇“順銑”、切削順序選擇“層優先”、非切削參數設置“圓弧進退刀”方式等，生成如圖4所示刀軌，顯然刀具無法達到型腔內部，無法加工出零件輪廓。這是利用NX軟件的型腔銑功能生成此類零件刀軌的一個共性問題，也是本文要研究解決的主要問題。

圖3　刀具選擇

圖4　刀軌示意圖

要想利用軟件型腔銑的方法加工此類零件，需進一步探索利用軟件的特殊功能及其他工藝方法。

（1）修改“容錯加工”選項設置。針對上述情況，嘗試修改“切削模式”、“切削參數”等選項卡設置，發現“切削參數”選項卡中的“容錯加工”選項是能否生成倒型腔刀軌的關鍵。

一般情況下，切削參數選項默認選擇“容錯加工”，是一種可靠的算法，能夠找到正確的加工區域而不過切部件。此時材料側僅與刀軸矢量有關，表面刀具位置屬性無論用戶如何設置，系統都設置為相切。因此，選擇此選項時，系統對圖1所示的零件材料側曲面法矢與刀軸方向不同的區域不作處理，若將默認的“容錯加工”選項的對勾去掉，則此時出現“底切”的選項，勾選“允許底切”選項，如圖5所示，則可以生成如圖6所示沿倒型腔的輪廓逐層切削的刀軌，是我們想要的理想刀軌。

圖5　切削參數和設置示意圖

圖6　刀軌示意圖

顯然，采用軟件默認的可靠計算方式勾選“容錯加工”，在曲面法向矢量與刀具主軸矢量夾角大于90°時無法生成理想刀軌。而不勾選“容錯加工”選項時，采用“允許底切”的方式，則可以將所有曲面區域都加工到。但這種方法是軟件不支持的一種方式，容易造成過切，因此使用時要特別注意刀軌過切。

（2）變“倒型腔”為“正型腔”。對于圖1所示零件，若將零件從中間剖分開，就可以按兩個正型腔來規劃刀軌，使用程序時，上半部分倒型腔從零件中間處進刀，采用倒拉加工，下半部分曲面為正型腔，采用常規方法加工。下面我們將主要研究零件上半部分曲面的倒拉加工方法。

如圖7所示，按照常規型腔銑的方法，不修改切削參數中的容錯加工選項，生成上半部分曲面的“正型腔”刀軌。

圖7　常規型腔銑刀軌示意圖

圖8　調整后刀軌示意圖

但實際使用此程序加工時，需要從小開口處進刀加工,要想在小開口端進刀使用圖7所示的刀軌,必須采用相同的三面刃刀盤,按后刀面對刀,如圖8所示,才能保證加工的正確性。要使實際加工時使用的刀具加工方式為順銑,在另一側生成刀軌時則按照逆銑的方式生成刀軌。

使用此方法生成的刀軌不會引起過切，但由于使用時刀軸方向發生轉變，而軟件無法改變刀軸進行仿真，所以需要特別注意刀軸與小開口處的干涉碰撞問題，使用程序從零件中部開始加工，小開口處仍是毛坯狀態，因此為防止刀柄與毛坯碰撞，選用刀柄直徑時需要將零件開口處的毛坯余量加到安全距離c中考慮。

2.固定軸曲面輪廓銑

固定軸曲面輪廓銑一般生成三軸聯動的刀軌對復雜曲面零件進行半精及精加工。圖1所示零件可以考慮采用固定軸曲面輪廓銑生成三軸聯動的螺旋形刀軌來進行精加工。

但是固定軸曲面輪廓銑就只能用于零件的精加工嗎？當然不是。本文作者針對圖1所示的零件，利用固定軸曲面輪廓銑編輯出了沿刀軸分層加工的零件輪廓的刀軌，提出了利用固定軸曲面輪廓銑進行零件粗精加工的方法。

以圖1所示零件為例，按照以下步驟設置固定軸輪廓銑參數，生成如圖9所示刀軌。

創建一個固定軸曲面輪廓銑的工序→指定幾何體→驅動方法選擇“流線”選項卡→進入“流線”選項卡設置流線驅動方法→“自動”生成流曲線→指定切削方向為順銑方向→刀具位置選擇“相切”→切削模式選擇“單向”→根據零件表面要求設置步距→投影矢量選擇“朝向驅動體”→刀具選擇“D160R8（銑刀-T型刀）”→刀軸選擇“+Z軸”→切削參數選項卡設置余量—非切削參數設置“圓弧進退刀”方式等。

圖9　刀軌示意圖

由于固定軸曲面輪廓銑只能沿刀具徑向生成一層刀軌，若零件毛坯余量較大時，可以在切削參數選項卡中設置加工余量，分多次加工完成。

四、結語

本文針對倒型腔類曲面零件的數控三軸加工進行了分析，利用NX8.5軟件結合工藝方法，提出了多種有效解決此類零件在三軸數控機床上加工的方法，讀者使用三軸數控機床加工此類零件時，須具體問題具體分析，靈活運用上述方法解決此類難題。