基于UG NX的复杂模具二次开粗数控编程设计的研究.pdf

设 计 与 研 究5基于 UG NX 的复杂模具二次开粗数控编程 设计的研究梁志刚何忠礼*宋翔宇庞博维关春喜（广州新华学院，广州 510520）摘要：以复杂模具为例，针对复杂曲面的结构特点，利用 UG NX 软件在“使用 3D 的 IPW”“使用基于层的 IPW”和“参考刀具”3 种编程方法下完成二次开粗数控加工程序的编程设计，并采用 VERICUT 软件对数控加工程序进行仿真模拟，以研究不同二次开粗编程方法对复杂模具切削加工的刀具轨迹、加工余量和加工时间的影响。结果表明：“使用 3D 的 IPW”二次开粗得到的刀具轨迹安全可靠，且具有加工余量均匀和加工质量好的优点，是复杂模具二次开粗数控编程的良好选择。关键词：UG NX；数控编程；复杂模具；二次开粗；VERICUTResearch on Re-roughing Numerical Control Programming Design for Complex Mould Based on UG NXLIANG Zhigang,HE Zhongli*,SONG Xiangyu,PANG Bowei,GUAN Chunxi(Guangzhou Xinhua University,Guangzhou 510520)Abstract:Taking complex mould as an example,this study focuses on the structural characteristics of complex curved surfaces and uses UG NX software to complete the programming design of re-roughing numerical control machining programs under three different programming methods“using 3D IPW”,“using layer-based IPW”,and“reference tool”.Vericut software is used to simulate and analyze the numerical control machining program to study the effects of different re-roughing programming methods on tool paths,machining allowances,and machining time for complex mould cutting.The results show that the tool path obtained by“using 3D IPW”has the advantages of safety and reliability,uniform machining allowance and good machining quality,which is the optimal choice for numerical control programming of complex mould.Keywords:UG NX;numerical control programming;complex mould;re-roughing;VERICUTUG NX 软件（简称 NX 软件）是当前功能全面、技术领先的交互式计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）软件系统，可以轻松实现各种复杂模具的建模和自动化加工。它不仅可以提高模具的精度，还可以大大提高生产效率1。相关数据显示，复杂模具的铣削加工成本约占整体制造成本的 60%2，而NX 软件在复杂模具上的应用效果明显。在确保模具质量的前提下，通过优化铣削加工方案，可以提高复杂模具加工质量，节约生产成本，提高产品竞争力3。1二次粗加工在进行复杂模具铣削加工时，多采用分步加工方法，其中第一步是对毛坯工件进行整体开粗。为了提高加工效率，加工人员会选择直径比较大的刀具进行整体开粗。但是，大刀具在提高切削效率的同时会导致粗加工后的模具有很多残料，特别是复杂模具有型面复杂、拐角和凹坑多等特点，进行粗加工后的残料较多。如果这时直接进行精加工，直径较小的精加工刀具会承受巨大的突变载荷，影响刀具的使用寿命，严重时会使刀具直接报废。因此，在精加工前需要进行二次粗加工（也称二次开粗），切除多余的残料，使余量均匀化，减少刀具的突变载荷，保证后续精加工的安全性4。在残料切除过程中会产生大量空刀，因此加工时间较长，容易发生故障。针对这些情况，在 NX 软件中有 3 种二次开粗的编程设计方案，分别是“参考刀具”“使用 3D 的 IPW”和“使用基于层的 IPW”5。在实际工作中，不同的模具需要选择合适的二次开粗编程设计，才能在生产出高质量模具的同时获得较高的生产效率。因此，以复杂模具为例，利用 NX 软件分别对模具分别进行 3 种二次开粗数控编程设计，并采用 VERICUT 软件进行仿真，然后对仿真结果进行基金项目：广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（2021ZXRC001）；广东省普通高校特色创新项目（2021KTSCX169）；广东省重点建设学科科研能力提升项目（2021ZDJS144，2022ZDJS151，2020XZD02）。*通信作者：何忠礼。现 代 制 造 技 术 与 装 备62023 年第 7 期总第 320 期分析和比较，总结出 3 种方案的优缺点，以期获得复杂模具最优的二次开粗数控编程设计方案。2零件加工工艺分析在复杂模具制造的过程中，实现高精度、高效率的铣削加工至关重要，而零件加工工艺对加工精度有直接影响。因此，在开始对模具进行加工编程前，必须根据零件的具体形状和使用要求，选择合适的加工工艺。本实验所选复杂模具的三维模型如图 1 所示。经过分析测量可知，该模型的尺寸为 210 mm165 mm 35 mm。从图 1 可以看到，模具零件结构复杂且待加工特征面较多，加工难度较大。在制定切削加工工艺时，为保证加工精度，应遵循先粗后精、先主后次的原则，选择合适的加工刀具。模具开粗加工工艺过程如表 1 所示。图 1模具三维模型表 1模具开粗加工工艺过程序号加工顺序刀具侧面余量/mm底面余量/mm主轴转速/（rmin-1）进给率/（mmmin-1）1首次开粗D17R0.80.350.152 5002502二次开粗D80.400.152 5001 5003复杂模具编程设计3.1首次开粗编程设计为了提高生产效率，在数控机床刚性和刀具强度允许的前提下，首次开粗应尽可能选择大直径刀具、较深的切削深度和较快的进给速度。将机床坐标系设定在毛坯上表面的中心位置进行首次开粗编程设计，并生成刀具轨迹。首次开粗编程详细设计如下。切削方法选择“型腔铣”；切削模式选择“跟随周边”；步距类型选择“刀具平面百分比”，数值设定为“65”；每刀公共深度设定为“恒定”，数值为“0.40 mm”；切削方向为“顺铣”，切削顺序为“深度优先”，刀路 方向为“向内”；底面余量和侧面余量一致，均为“0.35 mm”，内外公差为“0.08 mm”；拐角处刀轨形状的光顺选择“所有刀路”，半径为“0.50 mm”，步距限制为“150”；非切削参数设置中封闭区域的进刀和退刀类型为“螺旋”，开放区域则为“线性”，其他设置保持默认值。3.23 种二次开粗编程设计复制首次开粗的刀具轨迹，将刀具替换成小直径刀具平底刀 D8，将每刀公共深度修改为“0.25 mm”，将切削参数中的余量修改为“0.40 mm”。空间范围标签页中“处理中的工件”选项设置为“使用 3D 的IPW”，最后按照表 1 设置二次开粗的主轴速度和进给率并生成刀具轨迹。保存文件后，二次开粗编程设计的其他设置保持不变，将空间范围标签页中的工件分别设置为“使用基于层的 IPW”和“参考刀具”，重新生成二次开粗刀具轨迹，最终可以得到 3 种二次开粗编程设计的刀具轨迹（局部），如图 2 所示。（a）“使用 3D 的 IPW”（b）“使用基于层的 IPW”（c）“参考刀具”图 23 种二次开粗编程设计的刀具轨迹（局部）设 计 与 研 究74结果分析4.1不同二次开粗数控编程设计对刀具轨迹的影响4.1.1“使用 3D 的 IPW”工序模型（In Process Workpiece，IPW）是“型腔铣”内的一个切削参数，定义了对毛坯进行粗加工后所剩的余量6。“使用 3D 的 IPW”二次开粗方法是根据上一把刀具加工完成后的形状自动生成一个虚拟 3D 形状进行再次加工。对比图 2 中的 3 种刀具轨迹可以明显发现，“使用 3D 的 IPW”的二次开粗刀具轨迹明显比其他两种方法复杂，刀具的进刀、退刀、横越轨迹较多，说明刀具的非切削运动较多，空刀比例较高。另外，该方法计算刀轨的耗时较少，约为 30 s，但因与首次开粗工序有关联，如果上一道工序发生变化，当前操作必须重新计算，不便于对刀轨切削参数进行调整。4.1.2“使用基于层的 IPW”“使用基于层的 IPW”二次开粗方法原理与“使用 3D 的 IPW”类似，但是两者计算刀具轨迹的参考对象不同。“使用基于层的 IPW”是 2D 余量，而“使用 3D 的 IPW”是 3D 余量。从图 2 可以看出，“使用基于层的 IPW”生成的刀具轨迹比“使用 3D”的更加规则和简洁，刀具的辅助运动较少。该方法与首次开粗工序具有关联性，且系统计算刀轨的时间与“使用 3D 的 IPW”相同，均为 30 s。4.1.3“参考刀具”由图 2 可知，“参考刀具”二次开粗方法的刀具轨迹最规则，但是刀具的非切削运动比“使用基于层的 IPW”多。系统用指定的参考刀具计算切削后的余量，然后将这些余量作为二次开粗的切削区域，因而刀轨比较规则。这里的参考刀具一般采用首次开粗工序中所用的刀具。“参考刀具”的二次开粗编程设计与“型腔铣”类似，只是它仅限对残料的拐角区域进行加工。但是，该模具的特征面较多，结构复杂，需要加工的区域较多，因此刀轨计算时间较长，达到 50 s。4.2不同二次开粗数控编程设计对加工余量的影响利用 NX 软件对 3 种二次开粗编程设计得到的刀具轨迹进行 3D 动态分析，分别得到其残料厚度图（腔体局部），如图 3 所示。经过比较，“使用 3D 的 IPW”的二次开粗编程设计在陡峭大曲面上的余量分布较为均匀，且螺母及其周边余量接近设定值 0.40 mm。可见，“使用 3D 的 IPW”的二次开粗编程设计可以避免后续精加工刀具由于余量的突然变化而增加载荷影响刀具使用寿命，同时可以保证模具最终的表面质量和精度。（a）“使用 3D 的 IPW”（b）“使用基于层的 IPW”（c）“参考刀具”图 33 种二次开粗编程设计的残料厚度图4.3不同二次开粗数控编程设计对加工时间的影响VERICUT 是一款数控加工仿真软件，能模拟复杂模型的数控加工过程，检测出刀具在实际加工中可能存在的错误，具有真实的三维实体显示效果。它的整个仿真过程包含程序验证、切削过程分析、机床模拟仿真、程序优化和模型输出等7。为了研究 3 种二次开粗编程设计对复杂模具加工时间的影响，实验采用 VERICUT 软件对模具的切削过程进行模拟仿真。选择 FANUC 机床作为仿真机床，后处理器选择NX 软件自带的 MILL 3 AXIS TURBO，分别对 3 种（下转第 14 页）现 代 制 造 技 术 与 装 备142023 年第 7 期总第 320 期参考文献1 陈俊杰，孙黎明，王志鹏，等.降低拖拉机通过噪声方法研究 J.拖拉机与农用运输车，2022（4）：54-57.2 张锐，张涛，冯世杰，等.发动机进气消声器的优化设计 J.汽车维修与保养，2023（6）：87-88.3 郑荣钜.摩托车消声器的优化设计研究 J.内燃机与配件，2021（7）：18-19.4 苏新平，李勇强，杨涛，等.挖掘机消声器支架开裂分 析 及 改 进 J.建 设 机 械 技 术 与 管 理，2021（6）：113-114.5 唐吉有，丁渭平，吴昱东，等.声学超结构在车内低频轰鸣声控制中的应用 J.汽车技术，2021（4）：37-42.6徐亚运.基于薄膜型声学超材料的低频降噪技术研究D.成都：电子科技大学，2016.7 魏会军，徐敏，刘皓贤，等.一种外置式三级串联排气消声器以及活塞压缩机：202011158313.1P.2020-10-26.8 田春娟，崔铭辉，张华皓，等.多腔组合式消声器关键参数 J.汽车实用技术，2022（13）：74-77.刀具轨迹进行后处理，可得对应的 G 代码数控加工程序。在 VERICUT 软件中构建虚拟加工环境，并对切削过程进行仿真，导出仿真分析报告。根据仿真分析报告，统计获得各自加工时间、空刀时间和过切数等信息，如表 2 所示。表 2复杂模具二次开粗仿真结果序号二次开粗类型加工时间/min空刀时间/min 过切数1使用 3D 的 IPW86.627.132使用基于层的 IPW84.923.103参考刀具84.325.2263由表 2 可知，“参考刀具”的加工时间最短，“使用 3D 的 IPW”的加工时间最长。这是因为“参考刀具”的二次开粗编程设计仅限于对残料的拐角区域进行切削加工，加工效率较高。而“使用 3D 的IPW”是根据真实工件的当前状态来加工，会尽可能地切除余量，增加了一定的加工时间。但是，“参考刀具”编程设计产生的过切数较多，达到 263 个，且均为刀具在快速进给时与工件发生碰撞而产生的。这主要是因为“参考刀具”二次开粗编程设计与首次开粗工序不具备关联性，不会考虑上一步粗加工中的狭窄残料。因此，该方法进行复杂模具的二次开粗切削时不能保证切削加工的安全性。“使用 3D 的 IPW”和“使用基于层的 IPW”的过切数都非常少，分别为 3 和 0，说明加工过程中不会发生刀具过载、刀具漏切、加工余量过多等现象，刀路均安全可靠。5结语“使用 3D 的 IPW”二次开粗编程设计会根据上道工序的余量自动生成虚拟 3D 形状，用以计算刀具轨迹，计算时间较短，生成的刀具轨迹安全可靠，加工余量符合编程预期，但是刀具的非切削运动较多，运动路径较为复杂，加工时间略长。但是，复杂模具一般对切削加工质量要求较高，且安全性必须满足需求，加工效率则为次要考虑。综上所述，在加工时间相差不大的前提下，“使用 3D 的 IPW”二次开粗数控编程设计刀具轨迹计算时间最短，且切削加工过程安全可靠，同时兼顾安全性和加工质量，为最优选择。参考文献1 青春，李强，其木格.基于 UG 的数控编程及加工过程仿真 J.机械设计与制造，2007（8）：107-109.2 李艳霞.基于 UG 的型腔铣削数控编程的应用技巧 J.机床与液压，2010（20）：127-129.3 邓宇翔.在模具流道加工中 UG 编程和 CNC 数控机床结合的应用 J.自动化与仪器仪表，2015（10）：84-85.4 潘新征，涂帅，赵建兴.UG CAM 残余坯料加工策略探讨 J.河南科技，2013（16）：52.5 秦涛.UG 自动编程的二次粗加工方法 J.内蒙古石油化工，2021（6）：26-29.6 田辉，许锋国，郭辉，等.UG 数控加工中 IPW 的使用 J.机械工程师，2015（12）：246-247.7 袁宏培，王胜.农机部件模具数控加工及仿真建模研究：基于 UG 和 VERICUTJ.农机化研究，2023（6）：203-207.（上接第 7 页）