NX是面向制造行業(yè)的交互式CAD/CAE/CAM高端軟件，具有強大的實體造型、裝配、工程圖生成和數(shù)控加工等功能。作為一款非常優(yōu)秀的CADCAM軟件，NX被越來越廣泛地應(yīng)用于機械制造、航空航天、汽車、船舶和電子設(shè)計等領(lǐng)域。

　　一些具有復雜空間曲面的零件，在設(shè)計造型、數(shù)控編程與加工上都有相當?shù)碾y度和復雜性，選擇CAD和CAM功能都非常強大且高度集成的NX軟件可實現(xiàn)方便、高效、高精度的數(shù)控加工。筆者以一個復雜曲面殼體零件的設(shè)計制造為例，介紹NX的CAD/CAM模塊在其中的應(yīng)用過程和方法，旨在為其他同類零件的數(shù)控加工提供參考。

1 CAD建模分析

　　1.1 NX的建模功能與方法

　　所有數(shù)控加工都由CAD建模開始。NX建模所用的模塊是NX-MODELING。

　　NX-CAD的建模方法主要有實體建模、線框建模和自由曲面建模3種。選擇何種建模方法，要依加工對象的特點而定。

　　1.2 零件特點與建模方法的選擇

　　需要設(shè)計一個玩具汽車模型的外殼，采用鋁合金材料，在3軸立式數(shù)控銑床上試制完成，并與已有的遙控玩具汽車車芯裝配，形成能正常遙控行駛的1：24的玩具汽車模型。由于零件表面主要由曲面構(gòu)成，內(nèi)部又包含一些孔、槽結(jié)構(gòu)特征，因此需綜合利用NX的曲面建模和實體建模技術(shù)進行設(shè)計造型。

　　實體建模主要包括顯式建模、參數(shù)化建模、基于約束建模和復合建模4種具體建模方法，其中復合建模法是顯式建模、參數(shù)化建模和基于約束建模3種建模技術(shù)的發(fā)展與選擇性組合。零件建模時，筆者選擇復合建模法。

　　1.3 零件的實際建模過程與技巧

　　在模型建立之前，首先確定零件的主要特征及建立特征的先后順序。根據(jù)零件的主要特征建立特征曲線，并通過適當?shù)膾呗?、拉伸、橋接等操作建立零件的主要特征曲面。再利用一些曲面編輯工具，進行修剪、延伸、倒圓、鏡像、縫合等操作形成完整的曲面造型。該零件外表面設(shè)計時既要考慮曲面造型流暢、美觀，還應(yīng)考慮其需適于3軸數(shù)控銑床加工，將曲面片體加厚成實體（殼體），厚度為1.8mm，再利用一些實體建模和編輯工具完成各細節(jié)特征和內(nèi)表面結(jié)構(gòu)特征的建模。

　　建模中，零件外表曲面的構(gòu)建非常關(guān)鍵，重點和難點是保證曲面的光順性。先構(gòu)造特征曲線，對曲線進行光順檢查，調(diào)整不光順的曲線或去掉其“壞點”，再利用“smooth”功能獲得光順的曲線。同樣，對生成的曲面也要進行光順檢驗，對光順性差的曲面，可運用NX的分析功能并結(jié)合實際經(jīng)驗來修正曲面的生成曲線，以實現(xiàn)曲面光順。

2 CAM數(shù)控編程

　　2.1 數(shù)控銑編程流程

　　在NX中進行數(shù)控銑編程創(chuàng)建各操作的刀位軌跡，這項工作貫穿工藝設(shè)計和加工的整個過程。

　　2.2 工藝分析及加工工藝路線設(shè)計

　　該零件待加工的內(nèi)腔與外表面都是不規(guī)則曲面，需對加工順序和裝夾方式進行仔細分析從而確定加工方案。根據(jù)零件總體外形特點，擬選用長方體鋁合金坯料(188mm×98mm×48mm)進行加工，因此首次加工時可用平口鉗裝夾毛坯。在加工順序方面，如果先加工外表面，則內(nèi)腔加工時裝夾就很困難，并容易引起工件變形；反之，如先加工內(nèi)腔，那么加工外表面時也無法使用平口鉗直接裝夾，但可通過設(shè)計制作一個輔助夾具來解決。如圖4(a)所示，夾具為兩層結(jié)構(gòu)，下層是長方體基體，為加工中平口鉗夾持使用，其長寬高尺寸都通過分析計算確定；上層凸臺輪廓形狀根據(jù)零件設(shè)計，為使夾具與工件內(nèi)腔配合裝配方便，并考慮承受切削力，其輪廓上有間隔的4段區(qū)域分別與工件內(nèi)壁配合，形成被包容面與包容面的關(guān)系。輔助夾具與工件通過螺栓聯(lián)接。在NX的建模環(huán)境中，將夾具與零件一起設(shè)計，形成裝配模型。

　　由于零件外表面的各個側(cè)面都具有拔模斜度，不能在3軸立式數(shù)控銑床上按一個方位加工完成，因此必須按上表面、右側(cè)面、左側(cè)面、后面、前面5個方位進行5次裝夾完成加工，即多方位加工。

　　利用NX的CAM功能，按表1所列的每個加工部位創(chuàng)建一個程序組，針對其中每個獨立的加工內(nèi)容創(chuàng)建相應(yīng)的操作，對應(yīng)生成一個刀具軌跡文件并最終轉(zhuǎn)換成NC程序用于數(shù)控機床加工。以零件上表面加工為例討論各步驟的實現(xiàn)方法。

　　2.3 加工環(huán)境初始化

　　進入NX制造模塊，在打開的對話框中選擇cam-general、null_contour并點擊初始化”按鈕，定義加工環(huán)境。

　　2.4 創(chuàng)建加工父級組

　　依次創(chuàng)建程序、刀具、幾何體父級組。方法父級組不予創(chuàng)建，采用系統(tǒng)默認設(shè)置。

　　2.4.1 創(chuàng)建程序組

　　創(chuàng)建名稱為“SHANGBIAOMIAN”的程序組，位于根目錄“NC_PROGRAM”下。

　　2.4.2 創(chuàng)建刀具組

　　創(chuàng)建上表面加工用到的D20平刀、D8 R0.5圓角刀、B6球刀和B2球刀，其中的前3把刀在前面的內(nèi)腔加工中已經(jīng)創(chuàng)建，無需重復創(chuàng)建。

　　2.4.3 創(chuàng)建幾何體組

　  首先選擇創(chuàng)建坐標系幾何體，名稱為“MCS_SHANG”。

　　選擇創(chuàng)建銑削幾何體，位置選擇“MCS_SHANG”，以繼承坐標系幾何體的安全設(shè)置，名稱為“WORKPIECE_SHANG”。

　　加工父級組創(chuàng)建后，就可在后續(xù)的各個操作創(chuàng)建中直接選用。

　　2.5 創(chuàng)建各操作

　　2.5.1上表面粗加工

　　創(chuàng)建操作子類型選CAVITY_MILL，程序、刀具、幾何體分別選擇之前創(chuàng)建的父組件，在打開的型腔銑對話框中指定切削區(qū)域為汽車上表面區(qū)域。

　　打開切削參數(shù)對話框，底面和側(cè)壁余量都設(shè)為0.5；打開非切削移動對話框，設(shè)置封閉區(qū)域進退刀都采用螺旋方式，開放區(qū)域都采用圓弧方式；再打開進給和速度對話框，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1600r/min，切削進給速度為320mm/min，進刀速度為120mm/min。其余設(shè)置采用默認值。設(shè)置完成后，點擊型腔銑對話框底部的刀軌生成按鈕，生成刀路軌跡，還可動態(tài)查看刀具切削過程及模擬結(jié)果以驗證刀軌的正確性，如有問題再返回修改參數(shù)，重新生成刀軌。

　　2.5.2 上表面半精加工

　　因開粗后留料仍較多且不均勻，需用等高輪廓銑ZLEVEL_PROFILE實現(xiàn)分層銑削。其操作創(chuàng)建過程與粗加工類似，在圖8所示的創(chuàng)建操作對話框中點擊相應(yīng)按鈕，選MILL_SEMI_FINISH方法，刀具為Tl2_φ8R0.5圓角刀，全局每層切深0.3mm，切削層設(shè)置為“最優(yōu)化”，底面和側(cè)壁均留余量0.2mm。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3000r/min，切削進給速度為500mm/min，進刀速度為200mm/min。其余設(shè)置同粗加工。

　　2.5.3 上表面精加工

　　用Tl3_φ6球刀，CONTOUR_AREA（相應(yīng)按鈕）子類型，MILL_FINISH方法，對上表面進行曲面精加工。采用環(huán)繞等距加工方式，加工圖樣為“跟隨周邊”、“向外”、“順銑”、“恒定步距”為“0.2”mm、“應(yīng)用在部件上”。進退刀都采用圓弧方式。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3600r/min，切削進給速度為420mm/min，進刀速度為180mm/min。

　　2.5.4 上表面清根加工

　　用CONTOUR AREA方式，T4_B2球刀，驅(qū)動方法選“清根”，以得到清晰的曲面輪廓。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為4000r/min，切削進給速度為120mm/min。

　　零件其余各部位的CAM加工方法與上表面類似，幾個典型部位的坐標系及部分刀軌顯示如圖10所示。

　　2.6 后處理生成NC代碼

　　所有生成的刀軌需經(jīng)過后處理才能生成被機床接受的NC代碼。由于不同的機床在物理結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面不同，對NC程序中指令和格式的要求也就不同，因此要針對不同的機床及數(shù)控系統(tǒng)定制不同的后處理程序。該零件加工是在配備FANUC系統(tǒng)的3軸立式數(shù)控銑床上進行。使用NX提供的后處理器開發(fā)工具NX/Post Builder，設(shè)置NC編碼所需的參數(shù)以及機床運動參數(shù)，如機床、程序、刀軌、數(shù)據(jù)格式、列表文件、輸出控制及文件預覽等，來創(chuàng)建適合該機床的后處理程序，然后在NX加工環(huán)境中選擇該后處理程序?qū)Ω鞯盾夁M行后處理，生成適應(yīng)加工的NC代碼。

3 零件加工

　　由于零件形狀以及加工環(huán)境的復雜性，刀具軌跡的生成過程中一般不考慮機床的具體結(jié)構(gòu)和工件的裝夾方式，因此不能確保生成的數(shù)控加工程序安全、正確地執(zhí)行。為了檢驗刀軌和程序的正確性，防止加工過程中出現(xiàn)撞刀和過切等意外現(xiàn)象，在實際加工前采用專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件VERICUT對所生成的程序進行了仿真加工檢驗。限于篇幅，此處不再詳述。

　　將生成的NC程序傳入數(shù)控銑床加工，加工完成的零件具有高的精度和表面質(zhì)量，達到了預定的目標和要求。。

4 結(jié)論

　　利用NX軟件強大的三維CAD功能，既可方便地進行復雜曲面殼體零件的造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可將加工需用的輔助夾具等與零件進行相關(guān)設(shè)計，使工藝設(shè)計變得靈活高效。在軟件的CAM模塊中，一方面通過引用曲面零件的三維整體造型，將干涉面、輔助面、刀具軌跡限制區(qū)域等一次全部設(shè)計完成，從而方便地生成正確的刀具軌跡；另一方面，通過合理的CAM編程與造型策略優(yōu)化刀具軌跡，保證零件的加工質(zhì)量，提高編程的效率和質(zhì)量。