汽车外覆盖件模具高速切削工艺规划研究4[1][1]

1、基于UG汽车外覆盖件模具的高速加工汽车外覆盖件模具高速切削工艺规划研究赵建峰，杨征宇（1南京工程学院，江苏 南京 211167）(2先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，江苏 南京 210013）摘 要：高速切削技术是汽车模具数字化制造的主要支撑技术，而汽车模具高速铣削加工中的工艺规划是保证和提高模具型面加工精度与质量的重要环节，也是实现模具数字化制造的关键技术。在UG CAM软件平台上，结合汽车外覆盖件拉延模的高速加工，对数控编程策略，切削参数优化，刀具轨迹规划等问题进行了研究，并在五轴高速加工中心对研究结果进行了验证。关键词：汽车覆盖件；模具；高速切削；UG1 引言高速切削（High Sp

2、eed Cutting）技术是一项革命性的技术，合理地处理“切削材料、切削工艺、刀具轨迹规划和加工刀具”四大要素配置，能使产品制造链得到有效地优化。高速切削加工作为一种先进制造技术，上世纪30年代德国Karl Salomon博士提出高速切削理念以来，随数控机床和刀具技术的进步，90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业的铝镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料加工中。高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流1，2，其优越性表现在以下几方面

3、：1）材料切除率高，显著提高生产效率。高速切削时的切削速度和进给速度使单位时间内工件材料的切出率提高3-6倍。由于高速切削可直接加工淬硬零件（可达HRC66），节省了传统模具制造中电极加工所占用的大量时间；同时由于加工质量显著提高，大大缩短或消除工具钳工的配研修磨时间。2）加工精度高、表面质量好。高速切削加工精度达到10um到0.1um，加工表面粗糙度较常规加工降低12级。3）切削力低、热变形小。随着切削速度提高，切削力降低大致为2530以上；高速切削产生的热量少、零件变形小，利于提高加工精度，延长刀具使用寿命。就目前国内外高速切削技术现状和发展趋势而言，高速切削的关键技术可归纳如下：1）高速

4、切削机床。主要包括机床基本结构，高速主轴系统，高速进给机构，CNC控制系统，高速机床换刀系统及温控和实时监控系统等。2）高速切削刀具技术。主要包括高速切削刀具材料研究与开发，高速切削刀具结构，高速切削刀具几何参数，高速切削刀具刀柄系统。3）高速切削工艺。高速切削目前还没有完整的加工信息库供选择，高速切削加工的工艺参数优化是当前的重要工作。多数CAM软件和CNC系统的NC加工编程方式还不能满足高速切削的要求，要设计新的编程方法以适应高速切削过程的功率特性关系和刀位规划要求。UGNX、MasterCAM 等软件已开始添加适合高速切削的编程模块。UG是一个功能强大的CAD/CAM/CAE软件，针对于

5、整个产品开发的全过程，从产品的概念设计直到产品建模、分析和制造过程。该过程与高速切削技术相结合，形成高速切削CAD/CAM/CNC集成系统。UG CAM系统具有较高的编程速度，便于快速编辑、调整程序；具备自动防止过切和刀柄干涉检查的能力；可以优化刀具路径和实现特别的加工策略；具有直接输出样条曲线（NURBS）插补功能，从而快速切削出复杂而极其光滑的曲面。收稿日期：2009-04-22基金项目：江苏省教育厅自然基金项目（07KJD460082）；先进数控技术江苏省高校重点实验室开放基金项目(KXJ07116)；作者简介：赵建峰(1976-)，男，江苏徐州人，南京工程学院实验师，硕士，主要从事数控

6、技术及CAD/CAM应用的研究。本文以UG NX6.0为平台实现汽车外覆盖件拉延模的高速加工。 2 UG CAM 高速加工策略由于在高速加工过程中，切屑的切除是以非常高的速度动态变化的，切削模式和刀具路径的特征将是成功切削处理的关键因素。瞬间停止、尖角、切削方向的逆转和不稳定的刀具移动等各种因素都将直接影响切削的速度和加工质量，因此满足高速加工的两个基本条件是：保持恒定的切削载荷和在整个切削路径上生成柔顺的刀具运动。2.1轻而恒定的切削载荷高速切削中保持恒定的切削载荷非常重要。刀路轨迹必须要光滑，通常采用较小的步距和浅的切削深度（刀具直径的10%左右）；使用圆弧和螺旋式进刀；大量采用等高分层加

7、工代替仿行加工；切除率尽量保持常数3。粗加工时，刀具以螺旋或圆弧方式进入工件材料，使进给率和机床转速之比达到最佳。半精加工常采用“剩余材料铣切（IPW）”和“Z向分层螺旋式铣切”二种方法。精加工应避免急剧变化的刀具运动，避免在外形轮廓上直接进刀和退刀。1.刀具要平滑的切入、切出工件。高速加工时，刀具要平滑的切入、切出工件。通过较平缓地增加、减少切削载荷，并保持连续的切削载荷，可以达到保护刀具的目的。在平面的轮廓加工过程中，通常采用圆弧的切向进退刀方式，在曲面加工过程中，则让刀具沿一定坡度或螺旋线方向切入工件，如图1所示。 图1 圆弧和螺旋线方式进刀2保证刀具的平滑过渡。高速加工中的平滑过渡是指

8、在高进给速度时相邻刀具路径间的光顺移刀的在UG CAM中为了避免行间过渡时方向急剧变化和全刀宽切削，可用抬刀过渡、“高尔夫球杆”式过渡、抬刀到安全平面过渡等过渡方式4。行切的光滑移刀方式可以采用相切圆弧连接、内侧或外侧圆弧连接、或采用高尔夫球杆式移刀方式，如图2所示。环切的移刀多采用螺旋曲线的走刀方式。图2 各种横向过渡方式3在拐角处要有平滑的走刀轨迹。在工件的拐角处，刀具路径可采用圆角或圆弧走刀，并相应地减小进给速度，从而在拐角处可以得到光滑的刀具轨迹，并保持连续的高进给速度及加工过程的平稳性。将UG CAM“角和进给率控制”对话框中的“圆角”选项设定为“ALL Passes”来圆滑拐角和步

9、距，以保持刀具负荷稳定，如图3所示。 图3 拐角圆弧处理示意图2.2保证工件的加工精度。在高速切削加工中，为保证工件的加工精度和表面质量，要尽量减少刀具的切入次数，尽量采用螺旋走刀轨迹，避免分层走刀；过小的进给量往往会造成切削力的不稳定，会产生切削振动，影响工件表面的加工质量，进给量要均衡,采用较大的进给量可以保证加工表面质量的提高。2.3使用非均匀有理B样条插补NURBS。常规的CAM后置处理提供二种插补：直线插补和圆弧插补，并常用线性插补逼近曲线。随着高速加工设备出现了基于NURBS理论的CNC插补控制器，这使得CNC系统具备了能自动进行NURBS格式定义的加工域生成的能力5。NURBS曲

10、线使用控制点、权值、节点矢量三个参数来表达自由曲线。NURBS插补就是将这三个参数作为NC指令的一部分，由CNC系统内部计算并生成NURBS曲线，并按照NURBS曲线驱动机床动作，加工出NURBS曲线形状。UG CAM使用NURBS格式输出的系统流程如图4所示。图4 NURBS格式输出的系统流程用NURBS格式进行插补误差小，精度高，可以简化NC代码程序，只有线性插补代码的1/101/1005。这不仅可以控制机床沿NURBS曲线运动，同时时刻计算NURBS曲线的曲率变化，在机床加速度允许的范围内以最大速度进行加工，实现高速、高精度的模具加工。3 汽车外覆盖件拉延模的高速加工如图5所示是某汽车车

11、身侧围板零件。该零件是典型的汽车外覆盖件，零件外形尺寸大(长3200mm、宽1560mm)、空间曲面复杂，外观质量要求较高，不允许有拉痕、波纹、皱纹等影响外观的缺陷产生，这就对模具的加工质量提出了很高的要求。采用高速切削技术直接加工该零件的模具钢，可以获得较高的表面质量、较高的尺寸和形位精度，因此，可省略常规模具加工的电火花加工和大量手工修磨等工序，缩短了工艺流程，极大提高加工的生产率。图5 汽车外覆盖件三维模型3.1高速加工机床数控机床采用意大利萨克曼蓝苞蒂公司生产的横梁移动式五轴数控高速铣削中心SPEDH60。该加工中心采用连续叉式铣头，最大摆角可达90度，工作台移动行程为6000

12、5;3500×1500mm，快速进给最大20000mm/min,主轴转速18000rpm。该机床采用西门子840D数控系统，支持NURBS插补格式。3.2模具材料和刀具加工材料为冷作模具钢7CrSiMnMoV，高温淬火后硬度为HRC5558，具有较好的强度和韧性配合。刀具选用日本黛杰JBN高速铣刀，切削速度V100m/min，切削HRC60以上的高硬度材料时，其刀具耐用度达60min以上。3.3高速加工工艺由于整个汽车侧围外板模具加工工艺和工序非常复杂，本文仅以拉延模的主体压料板为例进行说明，其余部分的加工方法类似。在半精加工和精加工过程中，采取（3+2）轴加工方式，刀具与加工表面法

13、向夹角为15度，顺向拉铣。在这种方式下，能够保持切削过程的工艺稳定，且获得较长的刀具寿命。另外也充分发挥五轴数控铣床的优势，通过摆动主轴铣头，避免了复杂侧面的二次装夹和重定位误差，提高了加工效率。1)粗加工粗加工时充分发挥机床主轴的加工功率，从毛坯上尽可能高效地去除大部分的余量，并使后续精加工余量均匀。首先采用63R6牛鼻刀开粗，再使用50球头铣刀粗加工，保留1.5mm余量，主要切削参数如表1所示。表1 高速加工工艺参数表程序名刀具直径（mm）主轴转速n(r/min)进给速度F（mm/min）切削深度（mm）切削宽度（mm）留余量（mm）粗加工5010006000.851.5半精加工30140

14、07000.530.3精加工120350015000.41.60精加工216480012000.30.50精加工31040006000.30.30清根642005200.20.1502)半精加工半精加工采用固定轴曲面轮廓铣“FIXED_CONTOUR”加工方式，该方法能够有效地切除粗加工刀具留下的各种刀痕，并在工件加工面上留下比较均匀的余量。采用30球头铣刀半精加工，光顺刀具路径，使切削载荷保持恒定，刀轨示意图如图6所示。图6 半精加工刀轨示意图在实际加工过程中，由于主体压料板工件外形为框架式结构，空间尺寸大，曲面复杂，容易产生空行程，因此可以将整个工件分成A、B、C三部分区域切削，以减少空移

15、刀，如图6所示。3)精加工精加工和半精加工加工方法类似，只是选用更小的球头铣刀，加工余量设置为“0”，即直接加工到3D轮廓。最后采用6球头铣刀在零件表面之间形成的凸陷处进行清根加工“FLOWCUT_MULT”。UG CAM系统会自动确定切削方向与加工前后顺序，并优化清根结果刀轨，同时使刀具尽可能保持与零件表面接触，以减少非切削运动的时间。通过3D动态仿真模拟所有刀具运动，检查刀具运动是否过切和干涉。然后按NURBS格式执行后置处理，生成数控加工程序。最后执行DNC在线加工，加工过程如图7所示。 图7 车身侧围板模具加工工况3 结论利用UG软件和高速加工一体化设计的CAD/CAM/CNC系统，合

16、理规划刀具路径，优化高速加工工艺参数，保证加工刀轨的光滑与平稳，保持轻而恒定的切削载荷。采用NURBS格式执行后置处理，加工时间由原来的172小时缩减至138小时，不仅提高了加工效率，加工精度与表面质量也有了明显的提高。参考文献：1 Ruediger Haas. Tool and Die making Industrie in Germany,Advanced ManufacturingC.Seminar Nanjing,2006,62 艾兴. 高速切削加工技术的现状和发展C.现代切削与测量工程(国际)研讨会,成都,20043 刘敏,傅蔡安.基于UG CAM的高速切削技术的研究J. 制造业自动

17、化,2006(11):79-80.4姜元庆.UG铣制造过程培训教程M.北京：清华大学出版社，20035杨浩.UG NX4铣制造培训教程M.北京：清华大学出版社，2003Research on High speed cutting and process planning for Automobile cover dieZHAO Jian-feng ， YANG Zheng-yu (1Nanjing Institute of Technology，Jiangsu Nanjing，211167，China)(2Jiangsu Key Laboratory of Advanced Numerical

18、 Control Technology，Jiangsu Nanjing，210013，China)Abstract: High Speed Cutting has become the main support techniques for digital manufacturing of mould, and the process-plan of high speed milling for automobile panel is the key link to ensure and improve the quality and precision of the mould surface, it is also the key techniques for the realization of mould digital manufacturing. In combination with the high speed milling of draw-mould for panel, the CNC programmi