基于UG的凹模零件加工工藝分析及軌跡優化

張群威 馮凱

摘 要：在數控加工過程中，刀具運動軌跡的設計對零件的加工質量有很大的影響，本文分析了凹模零件的加工工藝，并且對銑削加工的刀具運動軌跡進行優化，基于UG生成各種運動軌跡，對各種軌跡的特點進行了分析。在理論分析的基礎上通過實驗研究，以切削力波動小，表面質量精度高為目標快速設計出適合加工要求的刀具運動軌跡，優化刀具運動軌跡對提高加工效率、降低生產成本及提高精度具有重要意義。

關鍵詞：加工工藝；軌跡；優化；凹模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.010

0 引言

隨著制造技術的發展，各種先進制造工藝正逐漸應用于生產系統中。并且制造系統的發展方向也發生了變換，逐漸向著數字化、集成化和網絡化的方向發展。在現代加工制造過程中，先進的數控加工設備是制造系統的核心內容，對制造系統的精度和穩定性有著至關重要的影響。數控加工技術是現代生產加工技術的基礎與關鍵。在生產過程中，切削加工工藝參數及刀具運動軌跡的優化可以有效的發揮數控加工設備生產效率。

1 工藝分析

隨著技術的發展，輕量化是零件設計優化的一個重要方向，薄壁零件具有重量輕、結構強度好等優點，但加工困難，也是生產中經常遇到的一個難題，圖1所示為實際生產中的一種小型薄壁零件，材料為硬質鋁合金。該零件凸臺壁厚不足2mm，并且大部分形狀尺寸都有較嚴的公差要求，屬于整體薄壁結構，強度較差。因此，如何保證零件尺寸、提高結構強度及形狀位置精度是加工工藝設計的難點。

本文以圖1所示的凹模零件為基礎，主要進行了基于加工特征的刀具選樣的分析。在此基礎上，建立了基于加工特征的銑刀選擇規則，從而實現數控刀具的優選，并將數控加工刀具軌跡進行優化。

數控加工工藝設計的一個重要環節就是刀具運動軌跡的確定，運動軌跡的設計也是影響零件的加工質量的重要因素。本文以切削力波動小，表面質量精度高為優化目標針對典型凹模零件的銑削加工對幾種刀具軌跡進行分析。以控制切削力波動為基礎，通過對鍵槽銑刀的切削力進行理論與試驗研究，選擇并優化了切削力波動最小的刀具運動軌跡。

2 軌跡優化

在切削加工過程中，刀具運動軌跡是刀具相對于被加工件的運動路線和方向。 對各種數控設備而言，刀具運動軌跡生成是數控編程的基礎和關鍵內容，本文對此進行了分析研究，并且針對加工對象的不同結構特點提出了許多實用的刀具運動軌跡生成方法，具有重要的應用價值。

2.1 行切法軌跡分析

在型腔銑削加工過程中，型腔是指具有封閉邊界的平面凹坑，并且在封閉邊界的內部可能有一個或多個島嶼，我們以二維型腔（型腔底面為平面）為分析對象。那么型腔的加工內容主要包括兩部分：型腔區城的加工與輪廓的加工，一般采用鍵槽銑刀進行加工。加工過程主要有兩個步驟，第一步加工內腔，第二步銑削輪廓。銑削輪廓一般先進行粗加工然后再精加工。并且刀具運動軌跡要從型腔邊界輪廓向島嶼輪廓偏置銑刀半徑R進行補償，還要留出精加工余量，這是計算內腔區城加工刀具運動軌跡的依據。

在內腔加工時，實際生產中常用的兩種方法是環切法和行切法兩種走刀路線。行切法加工刀具運動軌進如圖3所示，這種方法的刀具運動軌跡計算相對比較簡單，首先根據型腔輪廓和步距計算各行的刀具運動軌跡，然后再沿輪廓的邊界將各行刀具運動軌跡有序的連接起來。

2.2 環切法軌跡分析

環切法加工時，刀具一般沿型腔邊界輪廓，并且根據設定的步距走等距線，如圖3所示。刀具既可以由外向內進行環切也可以由內向外進行環切，在這個過程中，銑刀的銑削方式不變。環切法加工刀具運動軌跡本質上就是平面封閉輪廓曲線的等距線計算。當然如果輪廓包含有自由曲線或者含有島嶼的封閉曲線，那么刀具運動軌跡的計算就應該考慮等距線的自交與互交。刀具切削運動軌跡的長度就是各等距線的長度之和。

衡量行切與環切走力路線的優劣要從加工效率、走刀路線長度以及代碼質量等方面進行分析。還要根據型腔邊界的尺寸、島的數量以及具體形狀等情況。并且型腔加工還可采用行切和環切混合的走刀方式， 通過采用各種不同的走刀方式，以加工時間最短作為評價目標進行比較，原則就上可獲得最優的走刀方案。

3 結論

本文主要分析了數控銑削加工過程中的刀具運動軌跡，并且以較小切削力波動、降低表面粗糙度為目標，測得切削力后對各種刀具運動軌跡的數值進行分析優化，完成了以下工作：

（1）完成了以切削力波動和表面粗糙度為目標的刀具運動軌跡的單目標優選。

（2）基于UG分析了刀具軌跡和切削力的關系：隨著曲率的增大，切削力在不斷減小。

（3）基于UG在分析切削力的基礎上對刀具軌跡進行優化。

參考文獻：

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