基于UG取暖器外殼型芯數控編程

馮曉杰

（廣東松山職業技術學院機械工程學院，廣東韶關512199）

1 引言

加工中心在模具零件加工中的應用非常廣泛，大部分模具零件都是由加工中心進行加工的。但是塑料模具零件的結構非常復雜，其表面可以分成各種不同類型的曲面，比如膠位面、分型面、碰穿面等，還可以分成各種不同的特征，比如頂桿孔、鑲件、斜頂孔等。對于實體上的這些特征和曲面，有不同的加工要求。對于工件上的膠位部分，應按照技術要求進行精加工；由于零件上的分型面用于封膠，在加工時應適當留余量，以便操作工人進行模具裝配；在加工零件上的避空位時，應該適當過切，主要是方便操作工人裝配模具；對于零件上的一些特殊孔位，比如頂桿孔、斜頂孔、鑲件位等，這些位置不用加工中心加工，而是用線切割或者其他設備加工的，為了防止加工這些位置，在編程前應在實體圖上刪除或者封堵這些特征；對于無法加工拐角位置，為了便于電火花加工，應適當留余量。現在以取暖器外殼動模型芯為例，詳細介紹數控編程基本步驟和方法。

2 在編程前整理實體

在動模型芯的實體上，有若干直徑為?6mm的圓孔，這些圓孔是頂桿孔，不需要加工中心加工，應該從實體上刪除；塑件上有4個螺柱，在型芯上的對應位置是帶斜度的圓孔，小頭直徑為?10mm，在型芯上的4個位置是用線切割加工出來后，再用電火花加工，不需要加工中心加工，應該從實體上刪除；工件上有4個直徑為?4mm，高度為6mm的圓柱，這4個圓柱是型芯上的鑲件，不需要加工中心加工，應該從實體上刪除；型芯上有6條筋位，寬度為1.6mm，深度為27mm，這6條筋位是用電火花加工，不需要加工中心加工，應該從實體上刪除；工件上還有流道、運水孔、斜頂位等，不需要加工中心加工，應該從實體上刪除。在UG上的操作方法是依次選取“菜單→插入→同步建模→刪除面”命令，即可刪除實體上的孔位、鑲件、筋位、流道等，在流道和進澆口的中心位置繪制3段直線，用來編寫流道和進澆口的程序。型芯實體如圖1所示。

圖1 動模型芯實體

3 在實體上對碰穿位、避空位進行編輯

在模具廠內的加工中心的工作環境非常惡劣，受機床抖動、機床磨損和機床本身精度的影響，所加工的工件尺寸會出現誤差。如果在封膠位置出現過切，注塑時塑件就會出現披鋒；如果在模具的裝配位置沒有加工到位，留了余量，就會出現裝配困難的現象。為了避免出現上述兩種情況，應提前進行預防，對于封膠位置適當留余量，對于可以避空的位置，應適當過切。為了便于數控編程人員編寫程序，一般是在編程前對實體的碰穿位、避空位進行修改。在這個實體上，工件上表面中間的平臺是碰穿位，留0.02mm余量，處理方式是平面往上抬0.02mm；鎖緊位的上表面是避空位，可以過切0.5mm，處理方式是平面往下降0.5mm；鎖緊位的側面是定模、動模的配合位，留0.02mm余量，處理方式是側面往外偏移0.02mm；在分型面上，距離膠位30mm以內的范圍不留余量也不過切，距離膠位30mm以外的范圍過切0.5mm，處理方式是平面往下降0.5mm。在UG上的操作方法是選取“菜單→插入→設計特征→拉伸”命令，以需要提升或下降的平面為草繪平面，如果平面需要提升，選擇求和，如果平面需要降低，選擇求差，如圖2所示。

圖2 對碰穿位、避空位進行編輯

4 加工工藝分析

使用的材料是738預硬鋼，硬度為29～33HRC。為了使加工后的工件表面粗糙度達到技術要求，應選用硬度較高，且耐磨性較好的刀具。目前符合要求的刀具主要有兩種：一種是高速工具鋼，在其外表面涂一層耐磨、耐氧化的材料，成為鎢鋼刀，其硬度、耐磨性和耐熱性都很高，常溫硬度一般為89～93HRA，允許的切削溫度高達800℃～1,000℃，即使在540℃時其硬度仍保持在77～85HRA。另一種是合金刀（即刀粒刀），是金屬碳化物、碳化鎢、碳化鈦和以鈷為主的金屬粘結劑經粉未冶金工藝制造而成的。其主要特點能耐高溫和高切削性，在800～1,000℃左右仍能保持良好的切削性能，比高速鋼高4～8倍的切削速度。常溫硬度高，耐磨性好。抗彎強度低，沖擊韌性差，刀刃不易磨的很鋒利。

在粗加工時，由于切削量較大，應選用合金刀（如?35R6）進行加工。粗加工之后，工件表面余量不均勻，某些位置的切削量較大，對刀具的沖擊較大，適合選用合金刀（如?17R0.4）進行半精加工；半精加工之后，工件表面余量基本均勻，對于工件上不同的位置選用不同的刀具進行精加工，如工件上的曲面用?10R5的鎢鋼球頭刀；分型面是平面，適合用?17R0.4的合金刀；由于實體上表面的凹坑與凸臺側面之間的距離較小，這個位置選用?10鎢鋼立銑刀加工；型芯上的流道用?6R3的鎢鋼球頭刀加工，進澆口用?4R2的鎢鋼球頭刀加工。

由于在實體上已經對過切和放余量的位置進行了整理，因此，在進行精加工數控編程時，不需要對刀路放余量或者過切，只需要將余量設為0。在開粗時，選用型腔銑削刀路，單邊留0.5mm余量；在半精加工時，選用等高銑削刀路，單邊留0.15mm余量；在精加工時，如果是加工實體上的曲面，選用平行刀路，如果是加工實體上的斜面，選用等高銑削刀路，如果是加工實體上的平面，選用平面刀路，不留余量；如果是加工型芯上的流道，選用等高刀路。

5 編寫刀路的過程

5.1 設置幾何體創建刀具

（1）依次選擇“應用模塊→加工”按鈕，在【加工環境】對話框中選擇“cam_general”和“mill_planar”命令，單擊“確定”命令后，進入UG加工模式。

（3）在工具欄中選擇“創建刀具”按鈕，創建?35R6（合金刀）、?17R0.4（合金刀）、?10（鎢鋼立銑刀）、?12R6（鎢鋼球頭刀）、?6R3（鎢鋼球頭刀）、?4R2（鎢鋼球頭刀）6種刀具。

5.2 設計開粗刀路

在UG中，用于開粗的刀路有很多種，在這里使用“帶邊界面銑削”刀路編寫開粗刀路，具體步驟是:

（1）在工具欄中選擇“創建工序”命令，在彈出的【創建工序】對話框中，在“類型”欄中選擇選“mill_planar”，在“工序子類型”欄中選取“帶邊界面銑”選項，將“程序”設為“NC_PROGRAM”、“刀具”設為“?35R6”、“幾何體”設為“WORKPIECE”、“方法”設為“METHOD”。

（2）單擊“確定”按鈕，在【面銑】對話框中選擇“指定面邊界”按鈕，選擇分型平面的4條邊線，再將“切削模式”設為“往復”，將“步距”設為“%刀具平直”、“平面直徑百分比”設為65%、“毛坯距離”設為43mm、“每刀切削深度”設為1mm、“最終底面余量”設為0.3mm。

（3）選擇“切削參數”命令按鈕，在【切削參數】對話框中選擇“策略”選項卡，將“切削方向”設為“順銑”、“切削角”設為“指定”、“與XC的夾角”設為180；選擇“余量”選項卡，將“部件余量”設為0.3mm，“壁余量”設為0.25mm。

（4）在工件上有若干拐角位需要加工，在加工拐角時，刀具的受力面積較大，刀刃容易受損，因此應將拐角位的利角刀路設為圓角刀路。在編程時可以在UG上對刀路進行圓角設定，步驟如下：在【切削參數】對話框中選擇“拐角”選項卡，將“凸角”設為“繞對象滾動”，在“光順”欄中選擇“所有刀路”，將“半徑”設為50%。

（6）選擇“進給率和速度”命令按鈕，將“主軸速度”設為1,500r/min，“進給率”設為2,000mm/min。

（7）單擊“生成”按鈕，生成開粗刀路，如圖3所示。

圖3 開粗刀路

5.3 設計針對拐角區域的刀路

工件上有許多拐角，在開粗后，拐角區域的余量較多，應針對拐角位置設計一個刀路來切削拐角位置的余量，具體步驟是先繪制4個矩形草圖，將拐角區域圍起來，用?17R0.4的合金刀，用UG中剩余銑削的刀路進行編程，切削開粗刀路中未切削的拐角區域。具體步驟是：在工具欄中選擇“創建工序”命令，在彈出的【創建工序】對話框中，在“類型”欄中選擇選“mill_contour”，在“工序子類型”欄中選取“剩余銑”選項，將“程序”設為“NC_PROGRAM”、“刀具”設為“?17R0.4”、“幾何體”設為“WORKPIECE”、“方法”設為“METHOD”。選擇4個矩形草圖為修剪邊界，修剪矩形草圖以外的刀路，其余參數的設置參照開粗刀路的設置方法，針對拐角區域的刀路如圖4所示。

圖4 拐角區域的刀路

5.4 半精加工刀

針對拐角區域的銑削完成之后，基本完成粗加工，此時工件上的余量多，在精加工之前，還要進行半精加工。半精加工的刀路用?17R0.4的合金刀，用等高切削工藝加工。具體步驟是：在工具欄中選擇“創建工序”命令，在彈出的【創建工序】對話框中，在“類型”欄中選擇選“mill_contour”，在“工序子類型”欄中選 取“ 深 度 輪 廓 銑 ”選 項 ，將“ 程 序 ”設 為“NC_PROGRAM”、“刀具”設為?17R0.4、“幾何體”設為“WORKPIECE”、“方法”設為“METHOD”，選擇底面為修剪邊界，將工件以外的刀路修剪，其余參數按照開粗刀路的設置方法，等高切削刀路如圖5所示。

圖5 等高切削刀路

當?17R0.4的合金刀加工完成之后，工件上面的矩形凸臺與凹坑側壁之間的距離小于?17R0.4合金刀的直徑，無法切削；凹坑的4個圓角為R7.5mm，小于?17R0.4刀具的半徑，4個圓角的側壁沒有切削到位，余量較多，為了切削此處的余量，應用?10立銑刀進行切削，用UG中剩余銑削的刀路對上述位置進行編程，具體步驟參考圖4的步驟，刀路如圖6所示。

圖6 切削矩形凸臺與凹坑側壁之間的余量

5.5 精加工刀路

動模型芯上有分型面、碰穿位、膠位面、避空位、鎖緊位等不同功能的曲面，還要流道需要加工，這些曲面在動模型芯中所起的作用不同、曲面的形狀也不相同，因此，在編寫這些曲面的刀路時，最好是分開編寫程序。

（1）編寫膠位面的精加工程序。在編寫膠位面的精加工程序時，按實體的尺寸進行加工，不需要留余量，也不需要過切。為了體現工件上的不同曲面，保證工件拐角的流線狀，對不同結構曲面設計不同的刀路。在該工件上有斜位曲面、倒圓角曲面、圓弧面等，對于圓弧曲面，用?10R5的鎢鋼刀用平行切削的刀路進行加工，對于斜位曲面，用?17R0.4的合金刀用等高銑削的刀路進行切削，對于工件上的倒圓角曲面，用?6R3的鎢鋼刀用流線性的刀路進行加工，如圖7a所示。在用?6R3的鎢鋼刀用流線性的刀路加工之后，在用?17R0.4的合金刀清理根部，如圖7b所示。對不同曲面選用不同的刀路，最能體現工件上的曲面結構。

圖7 用不同的刀路切削不同的曲面

（2）編寫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，適合用?17R0.4的合金刀，由于在實體上已經對該分型面做出了避空位，不需要在編程時再次避空。在加工分型面時應實體加工，不需要放余量。由于分型面是平面，應以加工平面的刀路加工該型芯的分型面及避空位，刀路如圖8所示。

圖8 設計分型面及分型面上的避空位的刀路

（3）編寫鎖緊位的刀路。在分型面的4個角位上有4個凸起，它的作用是定位，防止型芯、型腔產生錯位，為了防止機床本身的精度原因產生過切，同時也為了方便鉗工裝配，在編寫程序時，4個凸起的側面預留0.03mm的余量。這4個凸起的刀路是用?17R0.4的合金刀等高切削，在實體上鎖緊位的頂面已經降低0.5mm，不需要再在數控編程時對頂面進行過切0.5mm，具體刀路是平面銑削刀路，用?17R0.4的合金刀進行加工，銑削鎖緊位的刀路如圖9所示。

圖9 設計鎖緊位的刀路

（4）編寫凸臺的刀路。型芯上表面有一個長方形凹坑（204×54×13mm），凹坑4個角位的圓角位R7mm，在凹坑的中間有一個凸臺（125×25×4mm），凸臺側邊與凹坑側壁的寬度為14.4mm，不能用?17R0.4的合金刀進行加工凸臺側邊與凹坑側壁之間的空間，可以選用?10R0的鎢鋼立銑刀加工凹坑及凸臺，其中凹坑底部的平面、凸臺的上表面用平面銑削方式進行加工，凹坑的側面及4個圓角用等高銑削刀路，如圖10所示。

圖10 設計凹坑及凸臺刀路

（5）編寫流道及進澆位刀路。

流道和進澆口的加工程序的編寫方法比較簡單。先在流道的中心繪制流道的軌跡曲線，再用這條曲面拉出一個片體，然后用曲面驅動的刀路，用成型刀就可以直接加工出流道。如果進澆口的是直澆口，也可以用方法加工澆口，非常方便。

5.6 刀路仿真

數控銑床的程序編寫完成之后，為了檢查刀路是否正確，是否過切，應對所編寫的刀路進行仿真，如果刀路出現異常，應修改異常的數控程序，仿真效果圖如圖11所示。

圖11 仿真效果圖

6 總結

在對塑料模具的型腔和型芯編寫數控程序前，應先分析塑件結構及模具結構，再對型腔和型芯進行詳細的分析，將零件表面的不同曲面（比如膠位面與碰穿面）嚴格區分，刪除實體上不需要加工的特征，對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，需要用電火花放電的位置，都必須充分了解，不能混淆。

一名優秀的模具零件數控編程人員，除了至少掌握一門數控編程軟件外，還必須非常了解模具零件材料的加工特性、模具的各種結構、數控刀具的特點與性能、加工中心的功率與加工范圍，除此之外，還必須有長期的實際工作經驗。在數控編程前，數控編程人員必須對模具零件的結構進行分析，必要時還需要與模具設計師、模具鉗工進行充分的溝通，了解模具零件的技術要求，才能編寫出合格的數控程序。

對于剛剛學習數控編程的技術人員來說，除了學習編程軟件的應用以外，還要學習數控機床的基本操作，模具結構以及材料的加工特性。只有努力學習，才能成為一名優秀的數控編程人員。