1 .前言

隨著數(shù)控行業(yè)的迅速發(fā)展 , CAD /CAM軟件的發(fā)展也越來越快 ,使工件的曲面造型越來越方便 ,工件造型可以進(jìn)行實(shí)體造型。UG、 Pro /E、 MasterCAM、CAXA等軟件都具有實(shí)體造型功能 ,工件在某一軟件中的實(shí)體造型 ,還可以在其他 CAD /CAM軟件中讀取 ,進(jìn)行數(shù)控程序的自動(dòng)生成 ,并在數(shù)控機(jī)床上加工生產(chǎn) ,實(shí)現(xiàn) CAD /CAM一體化。實(shí)體造型具有極大的方便性、靈活性和快捷性 ,因此 ,在模具設(shè)計(jì)和制造中得到了廣泛的應(yīng)用。

工件由實(shí)體造型方法生成的曲面 ,是已經(jīng)修整好了的曲面即“ 裁剪曲面 ” ,沒有多余的覆蓋面 (曲面邊界外的延伸面 ) ,在數(shù)控加工中經(jīng)常會(huì)影響加工時(shí)的進(jìn)退刀 ,從而影響生產(chǎn) ,研究曲面實(shí)體的數(shù)控加工進(jìn)退刀方法在生產(chǎn)當(dāng)中顯得很重要。

2 .曲面實(shí)體的數(shù)控加工進(jìn)退刀方式的選用原則

在數(shù)控銑削加工中 ,銑刀的進(jìn)退刀方式對接刀部分的表面質(zhì)量影響很大 ,其選用原則一般為:

① 當(dāng)被加工曲面的邊界敞開 ,沒有其他表面或夾具等限制時(shí) ,為安全起見 ,應(yīng)延伸曲面邊界。或者設(shè)計(jì)一個(gè)能覆蓋被加工曲面的較大的曲面 ,使刀具從曲面的邊界外加工起。如圖 1所示 ,每次沿直線走刀 ,刀位計(jì)算簡單 ,程序段少 ,加工過程符合直紋面造型規(guī)律 ,保證母線的直線度。

② 當(dāng)零件曲面的外邊界有其他表面限制時(shí) ,刀具不能任意沿外邊界進(jìn)退刀 ,避免干涉產(chǎn)生。

③ 二維切削加工時(shí) ,對精度要求較高的工件曲面 ,要避免法向切入工件曲面 ,而應(yīng)與工件輪廓曲面的延長線相接觸 ,然后沿該曲線切向切入工件輪

廓 ,以保證工件質(zhì)量。退刀時(shí)刀具也必須沿曲線切向退刀 ,然后再返回起點(diǎn) ,見圖 2。如果沿法向切入 ,會(huì)留下明顯的刀痕。應(yīng)盡量避免在進(jìn)給中途停頓 ,引起接刀痕 ,見圖 3。如果加工時(shí)必須進(jìn)行垂直切入 /切出引導(dǎo) ,這時(shí)必須使刀具遠(yuǎn)離工件進(jìn)行切入 ,同時(shí) ,建立刀補(bǔ) ,然后沿要求的軌跡進(jìn)行切削加工 ,當(dāng)切削完成時(shí) ,沿切出引導(dǎo)線遠(yuǎn)離已加工工件 ,同時(shí)撤離刀補(bǔ)。應(yīng)特別注意在工件被加工曲面處垂直工件表面的方向下刀或抬刀。

④銑削內(nèi)槽封閉曲面的切入或切出不允許外延。這里可沿工件曲面的法線切入或切出 ,可能時(shí) ,其切入和切出點(diǎn)最好選在工件輪廓曲面兩幾何元素的交點(diǎn)處 ,見圖 4。

⑤ 三維切削加工時(shí) ,刀具的進(jìn)刀和退刀 ,可以分為以下幾種方法。潛入式進(jìn)退刀。刀具沿軸線快速進(jìn)給到安全面 ,然后直接工作進(jìn)給到待加工表面 ,加工循環(huán)結(jié)束后快速垂直退到返回點(diǎn)。這種方式適合凸型面。

水平進(jìn)退刀。刀具沿軸線快速運(yùn)動(dòng)到安全面 ,以工作進(jìn)給速度使刀具垂直運(yùn)動(dòng)到引導(dǎo)線起點(diǎn) ,然后沿引導(dǎo)線使刀具逐步切入工件。加工循環(huán)結(jié)束后 ,沿引導(dǎo)線切離工件 ,快速退回到返回點(diǎn)。注意 ,刀具切入和切出平行于 XOY平面。

法向進(jìn)退刀。刀具沿軸線快速運(yùn)動(dòng)到安全面 ,以工作進(jìn)給速度使刀具運(yùn)動(dòng)到引導(dǎo)線起點(diǎn) ,然后沿引導(dǎo)線法向切入工件 ,與水平進(jìn)退刀不同的是 ,引導(dǎo)線法向于被加工表面。

切向進(jìn)退刀。與法向切入工件相同 ,區(qū)別在引導(dǎo)線切于被加工表面。

3 .應(yīng)用實(shí)例

下面 ,圖 5所示的“ 鞋撐 ” 模型 ,是用實(shí)體造型方法繪制的工件三維圖形,在數(shù)控銑床上加工出該工件曲面時(shí)加工中刀具軌跡生成時(shí)的進(jìn)退刀方法的確定 ,關(guān)系到許多重要參數(shù)的選取 ,也關(guān)系到銑刀運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)生成即數(shù)控程序的自動(dòng)生成

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3 . 1 .進(jìn)退刀方式的選擇

① 垂直進(jìn)退刀方式

加工時(shí)采用球頭銑刀,用“行切法 ” 加工。所謂行切法 ,就是球頭銑刀加工零件輪廓的切點(diǎn)軌跡是一行一行的 ,行距是按曲面的加工精度要求確定的。在選擇進(jìn)刀、退刀方法時(shí) ,如果進(jìn)刀點(diǎn)采取垂直方式切入工件 ,刀具是自上向下鉆到工件表面,這樣很不安全 ,且加工出來的表面質(zhì)量差,在加工中是不可取的。除非曲面邊界有特殊限制 ,一般不采用這種進(jìn)刀方式。

② 采用近似的方法使每行進(jìn)退刀從曲面外進(jìn)行

刀具切削的第一刀從曲面輪廓外進(jìn)刀 ,以切入工件 ,刀具切削的最后一刀走到曲面輪廓外 ,再退出工件。然而 ,這樣雖然解決了第一刀進(jìn)刀和最后一刀退刀的問題 ,但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 ,因?yàn)榈毒呙恳恍械倪M(jìn)刀和退刀還是在被加工曲面的邊界上 ,被加工曲面的外延邊界會(huì)有較多的殘留余量,影響被加工曲面的表面質(zhì)量 ,給后繼加工帶來不便。對于有的CAD /CAM軟件 ,具有刀具軌跡控制功能 ,可以用來近似地解決這個(gè)問題。

例如在 MasterCAM軟件中,可以采取近似的方法進(jìn)行避免。步驟為:主菜單中選取“刀具路徑 ”— “ 曲面加工 ” — “精加工 ” — “曲面流線 ” — 保存 NCL文件名 — 拾取曲面 — “執(zhí)行 ” — 彈出“曲面流線精加工 ” 參數(shù)表對話框 — 選取“曲面流線參數(shù) ” 表 — 單擊“間隙設(shè)定 ” 按鈕 — 彈出“ 間隙設(shè)定 ” 對話框 —在“ 邊界處路徑延伸切弧的半徑 ” 中 ,填寫相關(guān)數(shù)據(jù)—在“ 邊界處路徑延伸切弧的角度 ” 中 ,填寫相關(guān)數(shù)據(jù) — 單擊“ 確定 ” 按鈕 — 選定其它各種需要的參數(shù) — 單擊“ 執(zhí)行 ” 菜單 — 生成刀具軌跡[ 3 ]

③ 以比被加工曲面大的曲面生成刀具軌跡

在 CAD /CAM軟件中 ,較實(shí)用的解決辦法則是在生成曲面的同時(shí) ,作出一個(gè)包含被加工曲面的較大的曲面 ,或者對被加工曲面進(jìn)行延伸 ,生成比原被加工曲面大的曲面 ,并以這個(gè)較大的曲面進(jìn)行刀具軌跡生成 ,這樣 ,在實(shí)際加工時(shí) ,刀具的每一行就

不會(huì)在被加工曲面內(nèi)進(jìn)刀和退刀了 ,也為后繼的加工帶來了方便 ,保證了加工表面的質(zhì)量。

在 Pr o /E的加工模塊中 ,同樣有曲面和實(shí)體功能 , Pro /E的曲面、延伸和剪切功能 ,使加工過程中刀具的下刀點(diǎn)容易控制 ,避免直接踩刀 , Pro /E的基于參數(shù)特征也使刀路修改非常方便。周邊界延伸一段距離 (稍大于刀具半徑 ) ,可以使刀具在下刀時(shí)會(huì)避開銅料 ,保證了刀具尤其是第一刀的安全。做好粗加工后 ,經(jīng)過后處理形成 NC文件。在精加工時(shí) ,不需重新做一個(gè)刀路 ,只需要打開剛做完的粗加工 ,重新設(shè)置 STEP_OVER、 PROF_ST OCK_ALLOW、 T OLERANCE等參數(shù)的值 (分別是步距、加工余量、公差 ) ,點(diǎn)取 PlayPath (演示軌跡 )及ScreenPlay(屏幕演示 ) , Pro /E會(huì)重新計(jì)算出精加工的刀路。精加工時(shí)要銑削的量很少 ,加工面不必延伸 ,只需移 (REMOVE)剛才所創(chuàng)建的面 ,點(diǎn)取Model后再選取頂部曲面 ,讓 Pr o /E再計(jì)算一次就行了 ,不過這里最好把參數(shù) OVERTRAVEL _D IS2T ANCE設(shè)為 0 . 5mm～1mm,這樣 ,在計(jì)算刀路時(shí) ,刀具會(huì)沿著加工面的切線方向走出 0 . 5mm ～1mm,保證加工面能被完全銑削[ 4 ]。

3 . 2 .數(shù)控程序的自動(dòng)生成及數(shù)控加工

取出加工模型 ,進(jìn)行機(jī)床設(shè)置、刀具設(shè)置、退刀面設(shè)置、加工方法設(shè)置及各參數(shù)設(shè)置 ,最后給出曲面的加工范圍,在接受系統(tǒng)缺省的曲面加工前提下 ,創(chuàng)建的刀具路徑。“鞋撐 ” 模型通過 Pro /E軟件創(chuàng)建的刀具路徑軌跡如圖 6。對 Pr o /E系統(tǒng)的后置處理管理器進(jìn)行設(shè)置 ,最后生成 G代碼 (略 )。

圖 7為“ 鞋撐 ” 在“ZJ IK7532A華中數(shù)控銑床 ” 上加

工時(shí) ,刀具在各平面的真實(shí)軌跡。

3 . 3 .結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室條件下 ,采用華中 ZJK7532A數(shù)控銑床 , R3的球頭銑刀及工程塑料進(jìn)行加工 ,完成了“ 鞋撐 ” 模型加工 ,曲面輪廓完整 ,說明建模和進(jìn)、退刀方法是正確的。加工好的零件如圖 8所示。

4 .總結(jié)

綜上所述 ,在曲面實(shí)體的數(shù)控加工中 ,應(yīng)根據(jù)被加工曲面和工件裝夾的具體情況 ,正確選擇既能避免碰撞又能保證表面質(zhì)量的進(jìn)刀、退刀方式。本案例運(yùn)用了 Pr o /E系統(tǒng)造型技術(shù)和他的 NC模塊,成功完成了“鞋撐 ” 輪廓銑削加工 ,實(shí)現(xiàn)了 CAD /CAM生產(chǎn)過程 ,為模具的制造提供了簡捷的途徑。