1 .前言

随着数控行业的迅速发展 , CAD /CAM软件的发展也越来越快 ,使工件的曲面造型越来越方便 ,工件造型可以进行实体造型。UG、 Pro /E、 MasterCAM、CAXA等软件都具有实体造型功能 ,工件在某一软件中的实体造型 ,还可以在其他 CAD /CAM软件中读取 ,进行数控程序的自动生成 ,并在数控机床上加工生产 ,实现 CAD /CAM一体化。实体造型具有极大的方便性、 灵活性和快捷性 ,因此 ,在模具设计和制造中得到了广泛的应用。

工件由实体造型方法生成的曲面 ,是已经修整好了的曲面即“ 裁剪曲面 ” ,没有多余的覆盖面 (曲面边界外的延伸面 ) ,在数控加工中经常会影响加工时的进退刀 ,从而影响生产 ,研究曲面实体的数控加工进退刀方法在生产当中显得很重要。

2 .曲面实体的数控加工进退刀方式的选用原则

在数控铣削加工中 ,铣刀的进退刀方式对接刀部分的表面质量影响很大 ,其选用原则一般为:

① 当被加工曲面的边界敞开 ,没有其他表面或夹具等限制时 ,为安全起见 ,应延伸曲面边界。或者设计一个能覆盖被加工曲面的较大的曲面 ,使刀具从曲面的边界外加工起。如图 1所示 ,每次沿直线走刀 ,刀位计算简单 ,程序段少 ,加工过程符合直纹面造型规律 ,保证母线的直线度。

② 当零件曲面的外边界有其他表面限制时 ,刀具不能任意沿外边界进退刀 ,避免干涉产生。

③ 二维切削加工时 ,对精度要求较高的工件曲面 ,要避免法向切入工件曲面 ,而应与工件轮廓曲面的延长线相接触 ,然后沿该曲线切向切入工件轮

廓 ,以保证工件质量。退刀时刀具也必须沿曲线切向退刀 ,然后再返回起点 ,见图 2。如果沿法向切入 ,会留下明显的刀痕。应尽量避免在进给中途停顿 ,引起接刀痕 ,见图 3。如果加工时必须进行垂直切入 /切出引导 ,这时必须使刀具远离工件进行切入 ,同时 ,建立刀补 ,然后沿要求的轨迹进行切削加工 ,当切削完成时 ,沿切出引导线远离已加工工件 ,同时撤离刀补。应特别注意在工件被加工曲面处垂直工件表面的方向下刀或抬刀。

④铣削内槽封闭曲面的切入或切出不允许外延。这里可沿工件曲面的法线切入或切出 ,可能时 ,其切入和切出点选在工件轮廓曲面两几何元素的交点处 ,见图 4。

⑤ 三维切削加工时 ,刀具的进刀和退刀 ,可以分为以下几种方法。潜入式进退刀。刀具沿轴线快速进给到安全面 ,然后直接工作进给到待加工表面 ,加工循环结束后快速垂直退到返回点。这种方式适合凸型面。

水平进退刀。刀具沿轴线快速运动到安全面 ,以工作进给速度使刀具垂直运动到引导线起点 ,然后沿引导线使刀具逐步切入工件。加工循环结束后 ,沿引导线切离工件 ,快速退回到返回点。注意 ,刀具切入和切出平行于 XOY平面。

法向进退刀。刀具沿轴线快速运动到安全面 ,以工作进给速度使刀具运动到引导线起点 ,然后沿引导线法向切入工件 ,与水平进退刀不同的是 ,引导线法向于被加工表面。

切向进退刀。与法向切入工件相同 ,区别在引导线切于被加工表面。

3 .应用实例

下面 ,图 5所示的“ 鞋撑 ” 模型 ,是用实体造型方法绘制的工件三维图形,在数控铣床上加工出该工件曲面时加工中刀具轨迹生成时的进退刀方法的确定 ,关系到许多重要参数的选取 ,也关系到铣刀运动轨迹的自动生成即数控程序的自动生成

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3 . 1 .进退刀方式的选择

① 垂直进退刀方式

加工时采用球头铣刀,用“行切法 ” 加工。所谓行切法 ,就是球头铣刀加工零件轮廓的切点轨迹是一行一行的 ,行距是按曲面的加工精度要求确定的。在选择进刀、 退刀方法时 ,如果进刀点采取垂直方式切入工件 ,刀具是自上向下钻到工件表面,这样很不安全 ,且加工出来的表面质量差,在加工中是不可取的。除非曲面边界有特殊限制 ,一般不采用这种进刀方式。

② 采用近似的方法使每行进退刀从曲面外进行

刀具切削的刀从曲面轮廓外进刀 ,以切入工件 ,刀具切削的刀走到曲面轮廓外 ,再退出工件。然而 ,这样虽然解决了刀进刀和刀退刀的问题 ,但还远远不够 ,因为刀具每一行的进刀和退刀还是在被加工曲面的边界上 ,被加工曲面的外延边界会有较多的残留余量,影响被加工曲面的表面质量 ,给后继加工带来不便。对于有的CAD /CAM软件 ,具有刀具轨迹控制功能 ,可以用来近似地解决这个问题。

例如在 MasterCAM软件中,可以采取近似的方法进行避免。步骤为:主菜单中选取“刀具路径 ”— “ 曲面加工 ” — “精加工 ” — “曲面流线 ” — 保存 NCL文件名 — 拾取曲面 — “执行 ” — 弹出“曲面流线精加工 ” 参数表对话框 — 选取“曲面流线参数 ” 表 — 单击“间隙设定 ” 按钮 — 弹出“ 间隙设定 ” 对话框 —在“ 边界处路径延伸切弧的半径 ” 中 ,填写相关数据—在“ 边界处路径延伸切弧的角度 ” 中 ,填写相关数据 — 单击“ 确定 ” 按钮 — 选定其它各种需要的参数 — 单击“ 执行 ” 菜单 — 生成刀具轨迹[ 3 ]

③ 以比被加工曲面大的曲面生成刀具轨迹

在 CAD /CAM软件中 ,较实用的解决办法则是在生成曲面的同时 ,作出一个包含被加工曲面的较大的曲面 ,或者对被加工曲面进行延伸 ,生成比原被加工曲面大的曲面 ,并以这个较大的曲面进行刀具轨迹生成 ,这样 ,在实际加工时 ,刀具的每一行就

不会在被加工曲面内进刀和退刀了 ,也为后继的加工带来了方便 ,保证了加工表面的质量。

在 Pr o /E的加工模块中 ,同样有曲面和实体功能 , Pro /E的曲面、 延伸和剪切功能 ,使加工过程中刀具的下刀点容易控制 ,避免直接踩刀 , Pro /E的基于参数特征也使刀路修改非常方便。周边界延伸一段距离 (稍大于刀具半径 ) ,可以使刀具在下刀时会避开铜料 ,保证了刀具尤其是刀的安全。做好粗加工后 ,经过后处理形成 NC文件。在精加工时 ,不需重新做一个刀路 ,只需要打开刚做完的粗加工 ,重新设置 STEP_OVER、 PROF_ST OCK_ALLOW、 T OLERANCE等参数的值 (分别是步距、加工余量、 公差 ) ,点取 PlayPath (演示轨迹 )及ScreenPlay(屏幕演示 ) , Pro /E会重新计算出精加工的刀路。精加工时要铣削的量很少 ,加工面不必延伸 ,只需移 (REMOVE)刚才所创建的面 ,点取Model后再选取顶部曲面 ,让 Pr o /E再计算一次就行了 ,不过这里把参数 OVERTRAVEL _D IS2T ANCE设为 0 . 5mm～1mm,这样 ,在计算刀路时 ,刀具会沿着加工面的切线方向走出 0 . 5mm ～1mm,保证加工面能被铣削[ 4 ]。

3 . 2 .数控程序的自动生成及数控加工

图 7为“ 鞋撑 ” 在“ZJ IK7532A华中数控铣床 ” 上加

工时 ,刀具在各平面的真实轨迹。

3 . 3 .结果分析

在实验室条件下 ,采用华中 ZJK7532A数控铣床 , R3的球头铣刀及工程塑料进行加工 ,完成了“ 鞋撑 ” 模型加工 ,曲面轮廓完整 ,说明建模和进、退刀方法是正确的。加工好的零件如图 8所示。

4 .总结

综上所述 ,在曲面实体的数控加工中 ,应根据被加工曲面和工件装夹的具体情况 ,正确选择既能避免碰撞又能保证表面质量的进刀、 退刀方式。本案例运用了 Pr o /E系统造型技术和他的 NC模块,成功完成了“鞋撑 ” 轮廓铣削加工 ,实现了 CAD /CAM生产过程 ,为模具的制造提供了简捷的途径。

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