基于Unigraphics的塑料模嵌件數控加工

□ 曹旭妍

陜西國防工業職業技術學院 西安 710300

1 研究背景

Unigraphics（UG）作為集計算機輔助設計、制造及工程于一體的綜合性軟件，在機械、模具、航空、航天等領域有著廣泛應用。UG中的加工模塊以功能豐富、效率高、可靠性高而在計算機輔助制造領域處于領先地位。

針對塑料模嵌件加工中存在部分腔體結構深度較深、曲面部分結構比較陡峭、小圓角不易加工等難點問題，筆者采用UGNX 10.0軟件的三維實體模型和加工模塊，對塑料模嵌件進行結構及加工工藝分析，并選擇合理的加工方法和加工參數，完成這一塑料模嵌件的自動加工編程和結果分析[1]。

2 嵌件實體模型和分析

某塑料模嵌件如圖1所示，材料為模具鋼，要求對嵌件上的成型面進行加工。

由圖1可以看出，該嵌件沒有給出零件尺寸，因此在加工前首先對嵌件的極限尺寸、最小圓角、倒角、腔體深度等進行分析。分析得到嵌件的X軸方向極限尺寸為110.7 mm，Y軸方向極限尺寸為76.3 mm，Z軸方向極限尺寸為96.18 mm。嵌件上最小圓角半徑為0.3 mm，這些小圓角與尖角無法使用銑削加工，但可以根據具體情況留于后續電火花或線切割加工來完成。嵌件上的最大深腔達50 mm，加工時需要注意刀具的長度與干涉情況[2]。

圖1 塑料模嵌件示意圖

在嵌件結構中存在多個水平面和豎直面，可以采用平面加工方法簡化加工過程。應用UG菜單：分析→模具部件驗證→檢查區域，分析嵌件上所有水平面和豎直面，并以顏色區分，如圖2所示。

圖2 嵌件分析示意圖

3 加工工藝

經上述塑料模嵌件分析，并結合加工要求，對嵌件的加工進行工藝編排[3]。嵌件上除一些數控加工無法完成的小圓角及尖角外，其余部分均采用數控加工完成。嵌件形狀比較規則，可采用平口虎鉗一次裝夾完成各成形面的加工，機床選用2033VMC加工中心。由于嵌件存在一些深腔結構，加工時應考慮刀具的長度和刀柄，以保證加工的安全性。

加工工藝分為粗加工、半精加工和精加工，具體加工工藝編排見表1。

4 自動加工編程

UGNX10.0加工模塊具有強大的功能，界面友好，可定義標準化刀具庫、加工工藝參數樣板庫，從而使粗加工、半精加工、精加工等操作的常用參數標準化，優化加工工藝[4]。

表1 嵌件加工工藝編排

4.1 加工前設置

（1）將嵌件四個側面分別向外偏置1 mm。

（2）創建包容塊，調整Z軸方向尺寸為97 mm。

（3）創建程序組 PROGRAM_1～PROGRAM_8。

（4）設置嵌件坐標系。嵌件坐標系和系統坐標系重合，原點位于毛坯頂面中心，設置安全平面為距離毛坯頂面20 mm的平面。

（5）定義工件。部件幾何體為嵌件模型，毛坯幾何體為第（2）步創建的包容塊。

（6）創建刀具，參數見表2。

表2 刀具參數mm

4.2 創建加工工序

（1）粗加工程序。粗加工主要是切除約80%的加工余量，因此，加工方法選擇最常用的型腔銑[5]，刀具規格為D17R0.8，切削模式選擇跟隨嵌件方式，步距為刀具直徑的65%。設置切削層高度為61.6 mm，每刀切削深度為0.2 mm。設置底面余量為0.2 mm，側面余量為0.35 mm。設置非切削移動參數時，區域之間轉移類型選擇前一平面，安全距離設置為2 mm；區域內轉移方式選擇進刀與退刀，轉移類型選擇前一平面，安全距離設置為2 mm；封閉區域進刀類型為螺旋進刀，開放區域進刀類型為圓弧進刀。主軸轉速及進給量參照表1，生成粗加工刀具軌跡，如圖3所示。由于受刀具直徑和加工參數的限制，一些小凹槽部分還留有余量，需進行半精加工去除。

圖3 粗加工刀具軌跡

（2）半精加工程序。半精加工方法選擇深度輪廓銑，刀具規格為D10，刀間距為刀具直徑的65%。設置切削層高度為61.6 mm，每刀切削深度為0.15 mm。設置底面和側面加工余量均為0.1 mm。設置非切削移動參數時，區域之間轉移類型選擇前一平面，安全距離設置為2 mm；區域內轉移方式選擇進刀與退刀，轉移類型選擇前一平面，安全距離設置為2 mm；開放區域進刀類型為圓弧進刀，封閉區域進刀類型設置為與開放區域相同[6]。生成半精加工刀具軌跡，如圖4所示。

圖4 半精加工刀具軌跡

（3）清角加工程序。選擇型腔銑加工方法對圖5所示的拐角部分進行清角加工，刀具規格為D6。設置切削層高度為61.3 mm，每刀切削深度為0.12 mm。其余切削參數參考半精加工參數設置。生成清角加工刀具軌跡，如圖6所示。

（4）平面區域精加工程序。通過對嵌件分析，對水平面區域采用平面銑加工法進行精加工，刀具規格為D10。切削模式選擇跟隨周邊方式，步距為刀具直徑的50%，刀路方向為由外向內。生成平面區域精加工刀具軌跡，如圖7所示。

（5）曲面區域精加工程序。選擇深度輪廓銑加工方法對斜坡面區域進行精加工，為了保證加工精度，選擇直徑較小的刀具，規格為D4[7]。由于這一區域有一定的斜度，在加工參數設置時應注意設置陡峭空間范圍為僅陡峭的區域，陡峭角度為35°。生成曲面區域精加工刀具軌跡，如圖8所示。

圖5 清角加工示意圖

圖6 清角加工刀具軌跡

圖7 平面區域精加工刀具軌跡

圖8 曲面區域精加工刀具軌跡

（6）曲面區域底部精加工程序。由于上一步加工完成后，斜坡底部并未加工，所以，選擇固定軸區域輪廓銑加工方法對這一區域進行精加工[8]，刀具規格為D4。加工方法選擇區域銑削，陡峭空間范圍設置為非陡峭區域，切削模式選擇往復切削方式，步距為0.15 mm。生成曲面區域底部精加工刀具軌跡，如圖9所示。

圖9 曲面區域底部精加工刀具軌跡

（7）其它成型面精加工程序。使用深度輪廓銑和固定軸區域輪廓銑相結合的方法對其它成型面進行精加工，參數設置參照表1，生成的刀具軌跡如圖10所示。

圖10 其它成型面精加工刀具軌跡

4.3 仿真加工

完成加工方法創建和刀具軌跡生成后，需要在UG中進行模擬仿真加工，來驗證刀具軌跡的正確性和合理性。UG可通過三維和二維兩種動態模擬仿真方法，對加工過程進行虛擬仿真加工，檢驗刀具是否會發生干涉，確保實際加工時不會出現過切、欠切、碰撞等現象，提高程序的安全性。筆者選擇三維動態仿真模式對該嵌件進行模擬仿真加工，將加工完成后的模型與嵌件設計模型進行對比，分析是否出現過切、欠切等情況。仿真加工結果如圖11所示，結果表明，刀具軌跡正確合理，且加工精度滿足設計要求[9-10]。

圖11 仿真加工結果

5 實際加工驗證

選擇數控實訓中心的2033VMC加工中心對塑料模嵌件進行實際加工。自主開發與該機床相匹配的后處理器，對刀具軌跡文件進行后置處理，生成機床能夠識別的數控程序。將該程序傳輸至機床進行嵌件的實際加工，加工完成后在線切割機床上對嵌件上尺寸較小的溝槽、圓角部分進行電火花加工[11]。實際加工結果顯示，加工工藝合理、效率高，尺寸精度能達到設計要求。

6 結束語

筆者以某塑料模嵌件為例，根據嵌件的結構特點和加工要求，對嵌件進行分析，制訂出可行的數控加工工藝方案，選擇合適的機床、夾具、刀具、切削用量和加工類型，并基于UG NX 10.0軟件強大的建模、分析、加工功能，完成該塑料模嵌件的自動加工編程，生成刀具軌跡，進行模擬仿真加工。仿真加工無誤后，通過后處理生成數控程序，在加工中心上進行實際加工，驗證了該嵌件自動加工編程的正確性。結果表明，筆者采用的加工方法有效解決了嵌件加工中的難點問題，加工精度高，并可預知在加工中可能出現的過切、欠切等問題，大大提高了加工效率。該嵌件在加工中的模型處理方法、工藝方案、自動加工編程類型和參數設定可作為教學素材使用，也可供工廠加工參考，對嵌件類零件的加工具有一定的參考和實用價值。

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