0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(Computer Aided Manufacturing，CAM)在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域中得到了不斷推廣，各國(guó)相繼推出了用于CAM的輔助設(shè)計(jì)軟件，NX是其中應(yīng)用最為廣泛的一種。產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、建模到分析、修改直至成型、生成加工代碼均可以通過NX完成。其中的NX CAM模塊具有較高的編程效率，便于用戶快速編輯、調(diào)試程序；具備自動(dòng)防過切和刀柄干涉檢查功能；能夠優(yōu)化刀具路徑和實(shí)現(xiàn)特殊的加工策略；具有直接輸出樣條曲線(NURBS)插補(bǔ)功能，可以快速加工出復(fù)雜而極其光滑的曲面。高速度和高精度是目前數(shù)控加工行業(yè)昀兩大發(fā)展方向，基于NX等CAM軟件，采用高速加工(High Speed Machining，HSM)技術(shù)，可借助計(jì)算機(jī)精確、方便、高效地加工各種復(fù)雜的工業(yè)零部件。

    汽車工業(yè)是我國(guó)制造業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一，隨著市場(chǎng)的不斷變化，一方面，汽車的外形和功能也在不斷發(fā)展，另一方面汽車及其配件的需求量也不斷增加。能否快速加工生產(chǎn)各種高質(zhì)量的汽車配件直接影響了汽車工業(yè)的發(fā)展。

    汽車保險(xiǎn)杠在汽車發(fā)生碰撞時(shí)可以吸收緩解外部的沖擊力，保持車輛的安全，其外形是復(fù)雜的三維曲面造型。由于位于汽車正前方，位置醒目，因此有外形尺寸精度高、表面質(zhì)量嚴(yán)格的特點(diǎn)。汽車保險(xiǎn)杠模具通常采用合成樹脂或玻璃纖維增強(qiáng)塑料等材料經(jīng)模具澆注而成。因此模具的優(yōu)劣直接影響到成品的質(zhì)量。汽車保險(xiǎn)杠模具的生產(chǎn)加工存在以下難點(diǎn)：1）曲面部分設(shè)計(jì)復(fù)雜。2)高速加工過程中精度要求高。3)模具淬火后硬度要求較高。針對(duì)以上難點(diǎn)，本文以NX 6.0為二次開發(fā)平臺(tái)，詳細(xì)介紹汽車前保險(xiǎn)杠模具的高速加工制造策略。

1 前保險(xiǎn)杠凹模的高速加工策略

    如圖1所示是某汽車前保險(xiǎn)杠模具凹模型腔。采用高速切削技術(shù)直接加工該零件的模具鋼材料，可以獲得較高的表面質(zhì)量，以及尺寸和形位精度。因此，可以省略常規(guī)模具加工的電火花加工和大量手工修磨等工序，縮短了工藝流程，極大地提高了加工生產(chǎn)效率。

    圖1 汽車前保杠杠凹模型腔

    1.1 保證切削載荷的恒定和輕便

    在高速切削過程中保持恒定的切削載荷非常重要。為了使刀路軌跡光滑，在加工過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

    1)采用小步距和淺切削深度(刀具直徑的10％左右)進(jìn)行加工；

    2)使用圓弧或螺旋線方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)退刀具；

    3)大量采用等高分層加工代替仿形加工；

    4)切除率盡量保持為常數(shù)；

    5)在粗加工時(shí)，不但要求刀具以圓弧或螺旋線方式進(jìn)入工件材料，而且應(yīng)當(dāng)使進(jìn)給率和機(jī)床轉(zhuǎn)速之比達(dá)到最佳，從而避免急劇變化的刀具運(yùn)動(dòng)以及在外形輪廓上直接進(jìn)刀和退刀。

    如圖2所示為保險(xiǎn)杠模具高速加工刀路光順示意圖。在高速加工過程中，一般要求刀具平滑地切入與切出工件，并通過緩慢調(diào)節(jié)可以保持連續(xù)的切削載荷，并達(dá)到保護(hù)刀具的目的。在切入工件時(shí)一般采用螺旋線方式進(jìn)刀，切小工件時(shí)使刀具沿圓弧方向切出。

    圖2 高速加工刀路光順示意圖

    另外，為了保證在拐角處具有平滑的走刀軌跡，刀具路徑可以采用圓角或圓弧走刀，并相應(yīng)地減小進(jìn)給速度，這樣往拐角處便能獲得光滑的刀具軌跡，并保持連續(xù)的高進(jìn)給速度以及加工過程的平穩(wěn)性?，F(xiàn)將NX CAM軟件中“角和進(jìn)給率控制”對(duì)話框中的“圓角”選項(xiàng)沒定為“ALL Passes”來光滑拐角和步距，從而保持刀具負(fù)荷穩(wěn)定。

 1.2 使用非均勻有理B樣條(NURBS)插補(bǔ)

    隨著高速切削加工設(shè)備的使用，一種基于NURBS理論的CNC插補(bǔ)控制器也隨之出現(xiàn)，這使得CNC系統(tǒng)具備了能自動(dòng)進(jìn)行NURBS格式定義的加工域生成能力。NURBS曲線使用控制點(diǎn)、權(quán)值、節(jié)點(diǎn)矢量三個(gè)參數(shù)來表達(dá)自由曲線。NURBS插補(bǔ)就是將這三個(gè)參數(shù)作為NC指令的一部分，由CNC系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算并生成NURBS曲線，并按照NURBS曲線驅(qū)動(dòng)機(jī)床進(jìn)給軸運(yùn)動(dòng)，加工出NURBS曲線形狀。選用NURBS格式進(jìn)行插補(bǔ)不僅誤差小，精度高，而且可以簡(jiǎn)化NC代碼程序(程序長(zhǎng)度只有線性插補(bǔ)代碼的1/10～1/100)，這樣既可以控制機(jī)床在沿NURBS曲線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)計(jì)算NURBS曲線的曲率變化，又可以在機(jī)床加速度允許的范圍內(nèi)以最大速度進(jìn)行加工，從而實(shí)現(xiàn)模具加工的高速度和高精度。

2 前保險(xiǎn)杠凹摸的高速加工

    2.1 高速加工機(jī)床選擇

    數(shù)控機(jī)床采用瑞士米克期公司的HSM-600型高速銑削加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)60000r/min，控制軸進(jìn)給速度最快可達(dá)40m/min，具有DNC加工時(shí)的高速數(shù)據(jù)通信處理功能和“前饋”控制技術(shù)，支持NURBS插補(bǔ)格式。

    2.2 模具材料和刀具選擇

    選擇的加工材料為鑄態(tài)模具鋼7CrSiMnMoV，高溫淬火后硬度達(dá)到55～58HRC，具有較好的強(qiáng)度和韌性配合。刀具選用日本黛杰機(jī)夾式高速銑刀，刀片材料為立方氮化硼(半精加工型號(hào)為JBN330，精加工型號(hào)為JBN245)，切削速度可以大于100m/min，切削60HRC以上的高硬度材料時(shí)，其刀具耐用度達(dá)到60min以上。

    2.3 高速加工工藝規(guī)劃

    如圖1所示的汽車前保險(xiǎn)杠凹模型腔，由各種復(fù)雜曲面組成。其中汽閘部分包括許多狹窄的曲面凹槽，而凹槽的清角也是加工的難點(diǎn)。

    2.3.1 粗加工

    在粗加工的過程中，可以充分利用機(jī)床的主軸功率，從毛坯上盡可能高效地去除大部分余量，并使后續(xù)精加工余量均勻。

    粗加工分三步進(jìn)行，首先采用φ30R15球頭銑刀進(jìn)行分層銑削，保留1mm余量。然后采用固定軸曲面輪廓銑“FIXED_CONTOUR”進(jìn)行二次粗加工，該加工方式可以有效地切除粗加工刀具留下的各種刀痕，并在工件加工表面上留下比較均勻的余量，相應(yīng)的粗加工刀路如圖3所示。

    圖3 Φ30銑刀二次粗加工刀軌示意圖

    由于汽閘部分型腔曲面復(fù)雜，空間狹小，Φ30球頭銑刀無法進(jìn)行有效地切除，需要采用更小的刀具專門加工。文中采用Φ10R5球頭銑刀，利用跟隨型腔的“ZLEVEL_FOLLOW_CORE”方法分層切削。主要切削工藝參數(shù)如表1所示。

    表1 高速加工工藝參數(shù)表

 2.3.2 精加工

    精加工分兩部分進(jìn)行，首先對(duì)所有的曲面采用固定軸曲面輪廓銑“FIXED_CONTOUR”，以清除粗加工所留下的大部分余量。然后再采用更小Φ8R4球頭銑刀對(duì)汽閘部分進(jìn)行精加工，其加工刀軌如圖4所示。在精加工過程中，要按照高速加工策略光順刀具路徑，使切削載荷保持恒定。

    2.3.3 清根與清角加工

    由于在精加工中使用的是Φ20的球頭銑刀，精加工后在零件的凹陷處，及型腔底面于側(cè)面交界處仍有一些多余的材料還沒有被切除，需要應(yīng)用更小的刀具進(jìn)行清根或清角處理。

    分別采用Φ10和Φ6的球頭銑刀進(jìn)行清根加工。由于零件的曲面數(shù)量比較多，選擇切削區(qū)域時(shí)也很繁瑣，而零件又是左右對(duì)稱的，因此可以先對(duì)左半部分進(jìn)行刀路處理，再鏡像生成右半部分刀具路徑。

    圖4 Φ8銑刀汽閘部分精加工刀軌示意圖

    其中Φ10球頭銑刀執(zhí)行清根加工“FLOWCUT_MULTIPLE”，NX CAM系統(tǒng)自動(dòng)確定切削方向與加工前后順序，并優(yōu)化清根結(jié)果刀軌，同時(shí)使刀具盡可能保持與零件表面接觸，以減少非切削運(yùn)動(dòng)時(shí)間。其刀具路徑如圖5所示。

    圖5 Φ10銑刀凹模底部左邊清根加工刀軌示意圖

    采用Φ3的球頭銑刀對(duì)汽閘部分的四條垂直溝槽進(jìn)行“ZLEVE_CORNER”清角處理，可以將前一刀具因直徑和拐角半徑關(guān)系而無法到達(dá)的拐角區(qū)域有效切除。

    通過3D動(dòng)態(tài)仿真模擬所有刀具運(yùn)動(dòng)，檢查刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是否出現(xiàn)空行程和過切/欠切等干涉現(xiàn)象，然后按NURBS格式執(zhí)行后置處理，生成數(shù)控加工程序。由于程序代碼龐大，采用RS-232C串行接口傳入數(shù)控系統(tǒng)，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)在線加工，保險(xiǎn)杠凹模加工仿真效果如圖6所示。

    圖6 汽車前保險(xiǎn)杠凹模加工仿真效果圖

3 結(jié)束語

    基于傳統(tǒng)電火花工藝對(duì)前文所述汽車前保險(xiǎn)杠凹模進(jìn)行加工，需要經(jīng)過生產(chǎn)電極、電火花加工以及拋光等多個(gè)步驟，加工時(shí)間大約需要120小時(shí)。而基于NX CAM系統(tǒng)進(jìn)行高速設(shè)計(jì)加工，整個(gè)過程僅需要約38小時(shí)，極大地縮短了加工周期。可見，對(duì)于形狀復(fù)雜、淬火后硬度較高的模具，利用NX CAM系統(tǒng)進(jìn)行三維造型與數(shù)控編程，并使用高速加工技術(shù)完成模具的加工，既可以有效地提高加工生產(chǎn)效率，縮短模具的生產(chǎn)時(shí)間，又可以確保模具的表面品質(zhì)和加工精度，從而取得良好的綜合效益。