淺談數(shù)控編程及在重型汽車(chē)模具加工中的應(yīng)用

1 前言

    數(shù)字技術(shù)是制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)控加工是現(xiàn)代制造重要的組成部分。自1952年在美國(guó)出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床，按控制器的技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)歷了5代，同時(shí)，數(shù)控編程技術(shù)也從手工編程發(fā)展到自動(dòng)編程。早期的數(shù)控程序由手工編寫(xiě)，只能針對(duì)點(diǎn)位加工或幾何形狀不太復(fù)雜的零件。自動(dòng)編程是用計(jì)算機(jī)來(lái)協(xié)助完成數(shù)控加工編程編制，又從APT（Automatically Programmed Tool）語(yǔ)言編程發(fā)展到如今的圖像編程。20世紀(jì)70年代，由于貝塞爾（Bezier）曲線(xiàn)算法、B樣條曲線(xiàn)算法的提出，達(dá)索（DASSAULT）飛機(jī)制造公司推出了含有三維曲面功能的造型系統(tǒng)CATIA軟件，推動(dòng)了CAD和CAM向一體化的方向發(fā)展。近年來(lái)，在CAD/CAE/CAM一體化概念的基礎(chǔ)上，又逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造（CIMS）的概念，向著集成化、智能化、可視化、虛擬化的方向躍進(jìn)。

    在加工制造方面，近年有資料顯示，在歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家中，現(xiàn)代制造業(yè)的數(shù)控化率達(dá)35-70％，而我國(guó)只有不到1％ 。加入WTO以后，國(guó)內(nèi)制造業(yè)開(kāi)始了前所未有的發(fā)展，并快速成為全球重要的制造基地，2000年以來(lái)每年新增各類(lèi)數(shù)控設(shè)備在5萬(wàn)臺(tái)套以上，并以35％的速度持續(xù)增長(zhǎng)。隨著急速跟進(jìn)的跨躍式的技術(shù)升級(jí)，業(yè)內(nèi)對(duì)掌握數(shù)控編程、加工等現(xiàn)代制造技術(shù)的新型人才也形成了巨大的需求。

    中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南卡車(chē)股份有限公司工具廠自1987年開(kāi)始引進(jìn)大型仿形/數(shù)控銑床，在一段時(shí)期內(nèi)只能用于靠模仿形加工，1995年購(gòu)買(mǎi)了三維造型軟件，基于數(shù)模的數(shù)控加工工藝才開(kāi)始在制造中逐漸發(fā)展起來(lái)。2001年中國(guó)重汽集團(tuán)公司重組，重組后的工具廠開(kāi)始對(duì)沖模、大型鍛模、電極的制造全面改為數(shù)控加工，并形成一定規(guī)模。2002年工具廠在人員比1997年減少52％的情況下，模具工裝產(chǎn)值卻增長(zhǎng)了131％；2003年人員較上一年又減少16％，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值將增長(zhǎng)27％左右。如此的高速跨步，其中與CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用與興旺有著必然的聯(lián)系。今天，數(shù)字技術(shù)作為一種巨大的生產(chǎn)力，在制造業(yè)已經(jīng)被越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到了。

2 數(shù)控加工編程及CAM軟件的工藝特點(diǎn)

2.1 數(shù)模與CAD/CAM軟件

    數(shù)模即圖像編程中加工零件的計(jì)算機(jī)三維造型，是數(shù)控加工程序的母體，重卡工具廠近幾年大部分模具、全部電極的數(shù)控加工都需要自己創(chuàng)建數(shù)模。目前國(guó)內(nèi)用于工業(yè)CAD三維設(shè)計(jì)的軟件大多數(shù)來(lái)自歐、美等國(guó)，較熱門(mén)的有PTC公司的Pro/Engineer；EDS公司的Unigraphics、I-Deas、SolidEdge；IBM/DASSAULT公司的Catia；還有SolidWorks、Cimatron以及Autodesk公司的MDT、Inventor等等，其中多為交互式CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。常用的數(shù)控加工軟件一般分為兩類(lèi)，一為大型CAD軟件的一體化CAM模塊，如UG、CATIA等，其編程功能強(qiáng)大，但要用好也有一定的難度；還有一類(lèi)是CAD功能相對(duì)較弱而CAM模塊比較出名的中型軟件，主要特點(diǎn)是功能實(shí)用又相對(duì)較容易掌握，可謂高手新手都能用的，如以色列的Cimatron；CNC公司的MasterCAM； DelCAM公司的PowerMill等。作者使用過(guò)PRO/E、Catia、UG、Cimatron等軟件，感覺(jué)綜合應(yīng)用還是UG較為理想，它的混合建模給予了用戶(hù)很大的個(gè)性化空間，加工編程模塊功能強(qiáng)大，提供的后處理編譯器可為不同的機(jī)床系統(tǒng)作出適合的后處理文件。下文所談及的編程實(shí)例，均為使用UG軟件。

2.2 刀具應(yīng)用選擇。

    刀具的選擇主要反映在模具的曲面、異形型腔加工方面，我們使用較多的是WALTER廠家的仿形銑刀，進(jìn)口刀價(jià)格雖高但耐用，綜合性?xún)r(jià)比高。粗加工多用可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金球頭刀、端銑刀或圓鼻刀，精加工用單片硬質(zhì)合金球頭刀，清根用粗加工刀、精加工刀或錐度球頭白鋼刀。

    機(jī)夾刀的合金刀片要根據(jù)不同的加工材料來(lái)選用，錯(cuò)用將縮短刀片壽命。使用球頭刀精加工時(shí)，在能滿(mǎn)足曲面形狀幾何要求的前提下優(yōu)先使用大直徑刀。刀具使用當(dāng)否直接關(guān)系到模具制造的成本、質(zhì)量及效率。隨著新材料的不斷出現(xiàn)，程序員也應(yīng)在實(shí)踐中潛心研究，不斷探索、應(yīng)用新的刀具調(diào)整編程工藝。

2.3 數(shù)控加工工藝。

    數(shù)控加工一般的粗框架工藝路線(xiàn)是：粗加工--清根--半精加工--清根--精加工--清根。

2.3.1 粗加工

    粗加工的目的，是以較快的速度大面積地去除材料余量，使殘留的毛坯接近零件形狀，同時(shí)要做到安全、經(jīng)濟(jì)。粗加工的對(duì)象一般有兩種情況，一種是方料毛坯，即從平面開(kāi)始加工；再一種是鑄鋼件、鋼板焊接件等帶有一定零件形狀的坯料，這是汽車(chē)車(chē)身模具中使用較多的。數(shù)控程序的原則是盡量保持連續(xù)切削，刀具頻繁出入切削材料容易被損壞，同時(shí)增加了機(jī)床操作難度。對(duì)方料毛坯進(jìn)行粗加工多采用分層切削的方法，每層環(huán)形走刀或平行走刀，層間螺旋下刀。切削層間下刀的角度取值一般小于15°，深度取刀直徑的12－25％為宜，每層的步距根據(jù)模具材料不同一般不大于刀具直徑的30％。我們的干法是："少拉快跑，活好刀好"，即取較小的切削量、較快的進(jìn)給速度，保證了工件的加工質(zhì)量和效益，保護(hù)了刀具。對(duì)于復(fù)雜的型腔，可以采用大、小幾把刀具分別開(kāi)粗，把上一道工序加工完的幾何體作為下一道工序的毛坯來(lái)使用，以提高加工效率和連續(xù)進(jìn)刀率。圖2是用UG軟件做粗加工時(shí)，參考毛坯與不參考毛坯生成的刀軌的比較。

    鑄造、鋼焊毛坯的粗加工是數(shù)控編程的難點(diǎn)之一，由于不是從平面開(kāi)始，初始毛坯不易確定，如果簡(jiǎn)單地用分層加工的方法會(huì)有許多空跑刀，大大降低了效率。

    這時(shí)要仔細(xì)分析加工量，可先用投影線(xiàn)在型腔的典型部位分別拉幾刀，測(cè)得實(shí)際加工量以后再酌情確定加工工藝。UG軟件的粗加工可以對(duì)零件的不同范圍分別設(shè)置不同的毛坯厚度及參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算加工層數(shù)，程序一次完成。

    特別需要注意的是粗加工中出現(xiàn)的材料過(guò)切問(wèn)題。在排除程序錯(cuò)誤的前提下產(chǎn)生過(guò)切，常有一種情況是機(jī)床的控制系統(tǒng)與NC程序不統(tǒng)一所致。不同的機(jī)床控制系統(tǒng)，如日本的FANUC系統(tǒng)、德國(guó)的SIEMENS系統(tǒng)和美國(guó)的CINCINNATI系統(tǒng)，在G00運(yùn)行時(shí)的方式有所不同，編程時(shí)應(yīng)采取不同的解決方案。

    圖1是FANUC數(shù)控系統(tǒng)在G00指令代碼時(shí)的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)。

圖1

    從圖中可以看出，從A點(diǎn)到B點(diǎn)程序的算法是運(yùn)行點(diǎn)到點(diǎn)的直線(xiàn)，而機(jī)床控制系統(tǒng)走折線(xiàn)，當(dāng)C點(diǎn)存在零件域時(shí)，看程序沒(méi)有問(wèn)題但實(shí)際加工卻產(chǎn)生了過(guò)切。這種情況CAM軟件自帶的刀軌驗(yàn)證無(wú)法察覺(jué)，只有NC程序經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證軟件的檢查，在模擬加工中正確設(shè)置機(jī)床參數(shù)才能發(fā)現(xiàn)。解決方法：可適當(dāng)加大層間抬刀的垂直參數(shù)（G00時(shí)避開(kāi)折線(xiàn)點(diǎn)），例如將層間抬刀至安全平面，缺點(diǎn)是降低了效率。徹底的解決辦法是用Rapid取代G00編程，在Feeds and Speeds菜單的Rapid一欄里填上數(shù)值（默認(rèn)為0）即可解決。見(jiàn)圖2

圖2

還有一種情況容易出現(xiàn)過(guò)切，就是切削方式：逆銑（Conventional Cut）。許多數(shù)控操作工是銑工出身，由于普通銑床的絲杠結(jié)構(gòu)精度差，操作時(shí)一般多用逆銑方式，他們把逆銑的操作經(jīng)驗(yàn)帶到了數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的滾珠結(jié)構(gòu)絲杠精度極高，順銑不會(huì)崩刀，更不會(huì)出現(xiàn)過(guò)切，這也是CAM軟件里切削方式默認(rèn)值一般都為順銑（Climb Cut）的原因。所以粗加工在絕大多數(shù)情況下應(yīng)選擇順銑的切削方式。 

2.3.2 半精加工、精加工

    半精加工一般用于零件幾何公差要求比較高時(shí)，為了給精加工留下較小的加工余量的切削，可根據(jù)零件公差要求及加工材料特點(diǎn)靈活使用。精加工是對(duì)型腔最后的切削運(yùn)動(dòng)，直接關(guān)系到加工質(zhì)量的高低，不同的刀路程序會(huì)對(duì)零件加工出截然不同的精度效果，CAM軟件提供了多種方式可選。一般在較為陡峭的面多選等高線(xiàn)加工方式，而其他曲面使用Contour_Area即可。值得一提的是在曲面加工刀路中的3D步距，可以克服在不同斜率的面上加工殘留不均勻的問(wèn)題，UG、Cimatron等軟件都有此功能。缺點(diǎn)是刀軌較長(zhǎng)，不適合在太復(fù)雜的曲面加工使用。圖3是UG的3D步距刀軌示意圖。

    精加工時(shí)對(duì)精度的取值也要看具體情況，不要一味地追求精度而忽視了加工效率。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家日、美的資料顯示，其汽車(chē)覆蓋件模具的設(shè)計(jì)制造周期主要取決于模具的研制時(shí)間，而他們的數(shù)控加工和拋光所需的時(shí)間占整個(gè)模具研制時(shí)間的60％以上。 這也從一個(gè)方面提示了研究、做好數(shù)控加工在模具研制中的重要意義。

2.3.3 清根加工

    清根是常用的加工工序，主要是把前面的加工中由于刀具直徑大的原因而沒(méi)有切除掉的余量加工掉。有兩種情況必須注意使用清根：一是在大刀后換小刀以前，為了給小刀加工一個(gè)好的環(huán)境，避免小刀在型腔拐角處的切削量過(guò)大而進(jìn)給不能保持恒定速度，此時(shí)要先清根（小刀用等高線(xiàn)加工可除外）；再就是用于精加工前后，也是為了速度及加工出符合要求的圓角。清根常采用球頭刀，針對(duì)單獨(dú)的小R也可用端銑刀小步距層切（此非清根工藝），要看曲面的情況而定。

2.3.4 后處理

    后處理（Post）意為把CAM軟件生成的刀位文件（Cutter Location File）轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別執(zhí)行的G代碼NC程序，針對(duì)不同的數(shù)控操作系統(tǒng)NC程序的格式各有不同，這是數(shù)控編程的最后環(huán)節(jié)。UG的Postprocess可以直接對(duì)內(nèi)部刀軌進(jìn)行后處理，而不需要中間環(huán)節(jié)的CLSF文件。UG的PostBuilder可供用戶(hù)自定義后處理格式，以解決各種編程中的問(wèn)題。

2.4 對(duì)加工程序的驗(yàn)證

    在制造業(yè)的軟件解決方案中，三維仿真模擬加工、驗(yàn)證、分析是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，模擬分析的好處就是可以在計(jì)算機(jī)上像了解真實(shí)加工一樣觀察產(chǎn)品制造的過(guò)程，用計(jì)算機(jī)來(lái)分析還沒(méi)有制造出來(lái)的產(chǎn)品零件的質(zhì)量，并發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造等諸問(wèn)題。驗(yàn)證分析可以針對(duì)產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)，也可針對(duì)數(shù)控加工程序。NC程序常用的仿真驗(yàn)證軟件是CGTech公司的Vericut，用它可以進(jìn)行NC程序的三維驗(yàn)證分析，仿真CNC機(jī)床，還可對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化，可從NC刀具路徑創(chuàng)建CAD兼容模型，并與CAD設(shè)計(jì)模型相比較，等等。通過(guò)對(duì)G代碼和CAM輸出數(shù)據(jù)的模擬加工，可以檢測(cè)出刀軌路徑的錯(cuò)誤以及導(dǎo)致零件、夾具和刀具損壞或機(jī)床碰撞等問(wèn)題。如果加工程序的驗(yàn)證既由編程人員同時(shí)也由機(jī)床操作人員來(lái)做，經(jīng)過(guò)兩個(gè)層面的工作，一般能較有效地防止錯(cuò)誤的發(fā)生。

3 模具加工編程舉例

    下面看一下斯太爾重型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩沖模凹模的加工編程策略。圖3是發(fā)動(dòng)機(jī)罩?jǐn)?shù)模。

3.1 加工分析

（1）毛坯：毛坯為50mm鋼板焊接結(jié)構(gòu)，重約3噸，從12處經(jīng)投影線(xiàn)加工測(cè)試，加工量為4－30mm不等，且有多處硬點(diǎn)，多為焊口處及鋼板內(nèi)部組織不勻所致。

（2）形狀：凹模型腔外圍尺寸為1946×970×500（mm），兩側(cè)有212 mm深的垂直面，最小凹半徑為R5。

（3）加工難點(diǎn)：

① 415－500 mm深度的底斜面與兩側(cè)面的大圓角部分，因本單位龍門(mén)數(shù)控銑旋轉(zhuǎn)加工頭損壞，刀長(zhǎng)莫及且主軸直徑（￠250mm）干涉，一般在超過(guò)280 mm深度時(shí)， ￠63刀桿切削鋼件會(huì)出現(xiàn)震顫。

② 因需要多段程序、多種刀具分別加工，存在精加工接刀問(wèn)題。

③ 硬點(diǎn)部分無(wú)定位、不均勻，增加了操作難度。

3.2 加工編程策略

據(jù)以上分析，加工編程分三大板塊進(jìn)行：

（1）短刀（不接刀桿）可直接加工到的部分，有：所有主軸不干涉的底面、兩側(cè)面170 mm以上部分。

（2）加接刀桿致320mm深以上的部分，有：兩側(cè)面以及圓角。

（3）320mm以下側(cè)面、415－500mm深度的底斜面與兩側(cè)面的圓角部分，將模體調(diào)角度25°加工，數(shù)模也調(diào)相應(yīng)角度編程。角度需要調(diào)整兩次，分別加工兩邊側(cè)面、圓角。

（4）每一個(gè)板塊加工工藝為：局部銑焊口→粗加工→半精加工→清根→精加工→清根。

    結(jié)果：僅凹模加工前后使用了60多條程序，由作者一人編程，4名操作工兩班操作，連續(xù)干了13天，沒(méi)有出現(xiàn)任何差錯(cuò)，接刀誤差≤0.12mm 。

4 結(jié)束語(yǔ)

    綜上所述，數(shù)控編程是一項(xiàng)細(xì)致、辛苦、復(fù)雜的綜合性的工作過(guò)程，編程人員不僅要掌握CAD/CAM軟件的使用，還必須具備較強(qiáng)的空間想象、機(jī)械識(shí)圖能力，要熟悉機(jī)床、刀具、機(jī)械加工，最好能對(duì)所加工模具的設(shè)計(jì)使用都有較深層的了解。從這個(gè)意義上講，就不僅僅是"編程"了。技術(shù)的發(fā)展永無(wú)止境，數(shù)字技術(shù)也是一直處在發(fā)展與探索之中，程序員也只有熱愛(ài)制造業(yè)，在實(shí)踐中不斷摸索、再學(xué)習(xí)，才能在自己逐步走向成熟的同時(shí)也推動(dòng)CAD/CAM技術(shù)的興旺與繁榮。限于本人工作經(jīng)歷、學(xué)識(shí)的淺薄，以上看法的片面之處，也只待在不斷的工作學(xué)習(xí)中加以糾正和完善