淺談數(shù)控編程及在重型汽車模具加工中的應用

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年在美國出現(xiàn)了世界上第一臺數(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，數(shù)控編程技術(shù)也從手工編程發(fā)展到自動編程。早期的數(shù)控程序由手工編寫，只能針對點位加工或幾何形狀不太復雜的零件。自動編程是用計算機來協(xié)助完成數(shù)控加工編程編制，又從APT（Automatically Programmed Tool）語言編程發(fā)展到如今的圖像編程。20世紀70年代，由于貝塞爾（Bezier）曲線算法、B樣條曲線算法的提出，達索（DASSAULT）飛機制造公司推出了含有三維曲面功能的造型系統(tǒng)CATIA軟件，推動了CAD和CAM向一體化的方向發(fā)展。近年來，在CAD/CAE/CAM一體化概念的基礎(chǔ)上，又逐步形成了計算機集成制造（CIMS）的概念，向著集成化、智能化、可視化、虛擬化的方向躍進。

    在加工制造方面，近年有資料顯示，在歐美日等發(fā)達國家中，現(xiàn)代制造業(yè)的數(shù)控化率達35-70％，而我國只有不到1％ 。加入WTO以后，國內(nèi)制造業(yè)開始了前所未有的發(fā)展，并快速成為全球重要的制造基地，2000年以來每年新增各類數(shù)控設(shè)備在5萬臺套以上，并以35％的速度持續(xù)增長。隨著急速跟進的跨躍式的技術(shù)升級，業(yè)內(nèi)對掌握數(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。

    中國重汽集團濟南卡車股份有限公司工具廠自1987年開始引進大型仿形/數(shù)控銑床，在一段時期內(nèi)只能用于靠模仿形加工，1995年購買了三維造型軟件，基于數(shù)模的數(shù)控加工工藝才開始在制造中逐漸發(fā)展起來。2001年中國重汽集團公司重組，重組后的工具廠開始對沖模、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)值卻增長了131％；2003年人員較上一年又減少16％，預計年產(chǎn)值將增長27％左右。如此的高速跨步，其中與CAD/CAM技術(shù)的應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)被越來越多的人認識到了。

2 數(shù)控加工編程及CAM軟件的工藝特點

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算機三維造型，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。目前國內(nèi)用于工業(yè)CAD三維設(shè)計的軟件大多數(shù)來自歐、美等國，較熱門的有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，一為大型CAD軟件的一體化CAM模塊，如UG、CATIA等，其編程功能強大，但要用好也有一定的難度；還有一類是CAD功能相對較弱而CAM模塊比較出名的中型軟件，主要特點是功能實用又相對較容易掌握，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PRO/E、Catia、UG、Cimatron等軟件，感覺綜合應用還是UG較為理想，它的混合建模給予了用戶很大的個性化空間，加工編程模塊功能強大，提供的后處理編譯器可為不同的機床系統(tǒng)作出適合的后處理文件。下文所談及的編程實例，均為使用UG軟件。

2.2 刀具應用選擇。

    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，進口刀價格雖高但耐用，綜合性價比高。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。

    機夾刀的合金刀片要根據(jù)不同的加工材料來選用，錯用將縮短刀片壽命。使用球頭刀精加工時，在能滿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)，程序員也應在實踐中潛心研究，不斷探索、應用新的刀具調(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，同時要做到安全、經(jīng)濟。粗加工的對象一般有兩種情況，一種是方料毛坯，即從平面開始加工；再一種是鑄鋼件、鋼板焊接件等帶有一定零件形狀的坯料，這是汽車車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，同時增加了機床操作難度。對方料毛坯進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、較快的進給速度，保證了工件的加工質(zhì)量和效益，保護了刀具。對于復雜的型腔，可以采用大、小幾把刀具分別開粗，把上一道工序加工完的幾何體作為下一道工序的毛坯來使用，以提高加工效率和連續(xù)進刀率。圖2是用UG軟件做粗加工時，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)控編程的難點之一，由于不是從平面開始，初始毛坯不易確定，如果簡單地用分層加工的方法會有許多空跑刀，大大降低了效率。

    這時要仔細分析加工量，可先用投影線在型腔的典型部位分別拉幾刀，測得實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)，自動計算加工層數(shù)，程序一次完成。

    特別需要注意的是粗加工中出現(xiàn)的材料過切問題。在排除程序錯誤的前提下產(chǎn)生過切，常有一種情況是機床的控制系統(tǒng)與NC程序不統(tǒng)一所致。不同的機床控制系統(tǒng)，如日本的FANUC系統(tǒng)、德國的SIEMENS系統(tǒng)和美國的CINCINNATI系統(tǒng)，在G00運行時的方式有所不同，編程時應采取不同的解決方案。

    圖1是FANUC數(shù)控系統(tǒng)在G00指令代碼時的運動路線。

圖1

    從圖中可以看出，從A點到B點程序的算法是運行點到點的直線，而機床控制系統(tǒng)走折線，當C點存在零件域時，看程序沒有問題但實際加工卻產(chǎn)生了過切。這種情況CAM軟件自帶的刀軌驗證無法察覺，只有NC程序經(jīng)過仿真驗證軟件的檢查，在模擬加工中正確設(shè)置機床參數(shù)才能發(fā)現(xiàn)。解決方法：可適當加大層間抬刀的垂直參數(shù)（G00時避開折線點），例如將層間抬刀至安全平面，缺點是降低了效率。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（默認為0）即可解決。見圖2

圖2

還有一種情況容易出現(xiàn)過切，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，操作時一般多用逆銑方式，他們把逆銑的操作經(jīng)驗帶到了數(shù)控機床。數(shù)控機床的滾珠結(jié)構(gòu)絲杠精度極高，順銑不會崩刀，更不會出現(xiàn)過切，這也是CAM軟件里切削方式默認值一般都為順銑（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，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靈活使用。精加工是對型腔最后的切削運動，直接關(guān)系到加工質(zhì)量的高低，不同的刀路程序會對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題，UG、Cimatron等軟件都有此功能。缺點是刀軌較長，不適合在太復雜的曲面加工使用。圖3是UG的3D步距刀軌示意圖。

    精加工時對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)達國家日、美的資料顯示，其汽車覆蓋件模具的設(shè)計制造周期主要取決于模具的研制時間，而他們的數(shù)控加工和拋光所需的時間占整個模具研制時間的60％以上。 這也從一個方面提示了研究、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好的環(huán)境，避免小刀在型腔拐角處的切削量過大而進給不能保持恒定速度，此時要先清根（小刀用等高線加工可除外）；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，針對單獨的小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)控機床能夠識別執(zhí)行的G代碼NC程序，針對不同的數(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可以直接對內(nèi)部刀軌進行后處理，而不需要中間環(huán)節(jié)的CLSF文件。UG的PostBuilder可供用戶自定義后處理格式，以解決各種編程中的問題。

2.4 對加工程序的驗證

    在制造業(yè)的軟件解決方案中，三維仿真模擬加工、驗證、分析是一個重要環(huán)節(jié)，模擬分析的好處就是可以在計算機上像了解真實加工一樣觀察產(chǎn)品制造的過程，用計算機來分析還沒有制造出來的產(chǎn)品零件的質(zhì)量，并發(fā)現(xiàn)設(shè)計、制造等諸問題。驗證分析可以針對產(chǎn)品、模具設(shè)計，也可針對數(shù)控加工程序。NC程序常用的仿真驗證軟件是CGTech公司的Vericut，用它可以進行NC程序的三維驗證分析，仿真CNC機床，還可對程序進行優(yōu)化，可從NC刀具路徑創(chuàng)建CAD兼容模型，并與CAD設(shè)計模型相比較，等等。通過對G代碼和CAM輸出數(shù)據(jù)的模擬加工，可以檢測出刀軌路徑的錯誤以及導致零件、夾具和刀具損壞或機床碰撞等問題。如果加工程序的驗證既由編程人員同時也由機床操作人員來做，經(jīng)過兩個層面的工作，一般能較有效地防止錯誤的發(fā)生。

3 模具加工編程舉例

    下面看一下斯太爾重型汽車發(fā)動機罩沖模凹模的加工編程策略。圖3是發(fā)動機罩數(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)投影線加工測試，加工量為4－30mm不等，且有多處硬點，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：

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

② 因需要多段程序、多種刀具分別加工，存在精加工接刀問題。

③ 硬點部分無定位、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，沒有出現(xiàn)任何差錯，接刀誤差≤0.12mm 。

4 結(jié)束語

    綜上所述，數(shù)控編程是一項細致、辛苦、復雜的綜合性的工作過程，編程人員不僅要掌握CAD/CAM軟件的使用，還必須具備較強的空間想象、機械識圖能力，要熟悉機床、刀具、機械加工，最好能對所加工模具的設(shè)計使用都有較深層的了解。從這個意義上講，就不僅僅是"編程"了。技術(shù)的發(fā)展永無止境，數(shù)字技術(shù)也是一直處在發(fā)展與探索之中，程序員也只有熱愛制造業(yè)，在實踐中不斷摸索、再學習，才能在自己逐步走向成熟的同時也推動CAD/CAM技術(shù)的興旺與繁榮。限于本人工作經(jīng)歷、學識的淺薄，以上看法的片面之處，也只待在不斷的工作學習中加以糾正和完善