CN108107844B - 具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法，用于解决现有型腔的数控加工方法实用性差的技术问题。技术方案是在层设置中同时打开零件几何体和毛坯几何体模型，参照刀具在零件几何体外空位下刀，确定A直线和B直线的位置并沿Z轴负向拉伸成为C面和E面，抽取零件加工部位的片体模型，把片体模型上的直线段和圆弧线段抽取出来向A直线和B直线延伸并修剪多余部分，把修剪好的线框架里各种线段构造成直纹面和扫掠曲面，缝合这些面组成开放片体，将C面和E面向开放片体方向偏置成为F面和G面，最后使F面和G面与开放片体互剪后缝合成封闭片体。本发明采用构建的封闭片体作部件几何体，适用于任意形状的曲面腔槽加工，实用性好。

Description

具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法

技术领域

本发明涉及一种型腔的数控加工方法，特别涉及一种具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法。

背景技术

根据型腔的不同特点，型腔的加工方法主要有电火花成形与数控加工成形，电火花加工成形速度慢、电极易磨损、工作液循环困难，从而制约了电火花成型法的应用范围。数控加工成形作为现代制造技术的重要组成部分被企业广泛应用于加工复杂三维曲面型腔。

长槽型腔是曲面型腔中的一种，其特点是内凹型腔两侧面中一个是直立侧面，另一侧为斜侧面，底面为圆弧面。

参照图8。文献“长槽形曲面型腔的一种新型数控加工方法，潍坊学院学报，2002年4月”公开了一种曲面腔槽的加工方法。此方法通过改变刀具形状来实现曲面腔槽各个部位的加工：对于内轮廓斜侧面采用刀具斜度与内轮廓斜度相同的锥形刀具分层切削；对于底面的圆弧面采用球头或圆弧底面立铣刀的球头刃或圆弧刃完成切削。但是对于复杂三维曲面型腔，比如当内凹型腔一侧的斜侧面变为圆弧面、不规则陡峭面时则不能靠改变刀具形状使曲面腔槽加工成型，因此文献所述方法具有局限性。

发明内容

为了克服现有型腔的数控加工方法实用性差的不足，本发明提供一种具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法。该方法首先设置视图为WCS，在层设置中同时打开零件几何体和毛坯几何体模型，参照刀具在零件几何体外空位下刀，确定A直线和B直线的位置并沿Z轴负向拉伸成为C面和E面，抽取零件加工部位的片体模型，并把片体模型上的直线段和圆弧线段抽取出来向A直线和B直线延伸并修剪多余部分，把修剪好的线框架里各种线段构造成直纹面和扫掠曲面，缝合这些面组成开放片体，再将C面和E面向开放片体方向偏置距离f成为F面和G面，最后使F面和G面与开放片体互剪后缝合成封闭片体。本发明采用构建的封闭片体作部件几何体，并采用深度轮廓加工的方法使刀具沿封闭片体轮廓分层环切。通过构建封闭片体做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法适用于任意形状的曲面腔槽加工，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法，其特点是包括以下步骤：

在UG的建模模块里完成封闭片体的构建的，零件几何体放在第一层，分析加工部位的深度、外径和内径；依据加工部位的深度、外径和内径尺寸在第二层做一个空心圆柱模型；把第一层零件几何体模型复制到第三层，以抽取体的方式抽出加工部位的片体模型，然后隐藏第三层的零件几何体；把第三层片体模型上影响轮廓外形的直线段、圆弧线段用抽取线的方法抽取出来复制到第四层，并在第四层完成封闭片体的构建。

设置视图为WCS，同时打开第一层的零件几何体与第二层的空心圆柱模型，参照刀具在零件几何体外空位处下刀画A直线1和B直线2，并使A直线1和B直线2分别平行于X轴和Y轴，然后沿Z轴负向拉伸成形成C面3和E面7。

保持视图方向不变，关闭第一层和第二层，向A直线1和B直线2的方向延长第四层中的直线段和圆弧线段，采用基本曲线里的直线命令作相切于圆弧线段的直线，使所述直线与A直线1相交，并分割直线与圆弧相切处的直线段和圆弧线段，然后裁减掉相切处、A直线1和B直线2外多余的圆弧线段和直线段。

把修剪好的线架框中各种线段作成扫掠曲面和直纹面，并把这些面缝合成开放片体5。将C面3和E面7向开放片体5的方向偏置成为F面4和G面6，这样F面4和G面6与开放片体5就构成了一个封闭包围的状态，用修剪体命令使F面4和G面6与开放片体5相互交替做目标体与工具体互剪掉外侧多余部分，最后依次缝合各个面使封闭片体成型。

本发明的有益效果是：该方法首先设置视图为WCS，在层设置中同时打开零件几何体和毛坯几何体模型，参照刀具在零件几何体外空位下刀，确定A直线和B直线的位置并沿Z轴负向拉伸成为C面和E面，抽取零件加工部位的片体模型，并把片体模型上的直线段和圆弧线段抽取出来向A直线和B直线延伸并修剪多余部分，把修剪好的线框架里各种线段构造成直纹面和扫掠曲面，缝合这些面组成开放片体，再将C面和E面向开放片体方向偏置距离f成为F面和G面，最后使F面和G面与开放片体互剪后缝合成封闭片体。本发明采用构建的封闭片体作部件几何体，并采用深度轮廓加工的方法使刀具沿封闭片体轮廓分层环切。通过构建封闭片体做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法适用于任意形状的曲面腔槽加工，实用性好。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法所涉及零件几何体的结构示意图。

图2是本发明方法所涉及空心圆柱的结构示意图。

图3是本发明方法所涉及加工部位所抽取片体的结构示意图。

图4是本发明方法中A直线、B直线的位置的结构示意图。

图5是本发明方法构建的开放片体线框架的结构示意图。

图6是本发明方法所涉及开放片体及C面、F面、G面和E面的结构示意图。

图7是本发明方法中构建的封闭片体的结构示意图。

图8是背景技术方法所涉及长槽形曲面型腔零件的结构示意图。

图中，1-A直线，2-B直线，3-C面，4-F面，5-开放片体，6-G面，7-E面。

具体实施方式

参照图1-7。本发明具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法具体步骤如下：

首先是在UG的建模模块中构建封闭片体。第一层中放置零件几何体模型并分析出加工部位的深度H、外径D、内径d；依据所分析出的尺寸在第二层中做一个外径为D、内径为d、高度为H+L的空心圆柱；把第一层的零件几何体模型复制到第三层，并以抽取体的方式抽出该模型上加工部位的片体，隐藏零件几何体模型；把第三层片体模型上影响轮廓外形的直线段、圆弧线段用抽取线的方法抽取出来复制到第四层,并在该层完成封闭片体的构建。构建过程如下：设置视图为WCS使第四层中抽取出来的直线段、圆弧线段正视于读者，同时按下Ctrl+L键打开第一层零件几何体与第二层的空心圆柱模型，参照刀具在零件几何体外空位处下刀，确定A直线1、B直线2的位置，并使A直线1、B直线2分别平行于X轴、Y轴，然后沿Z轴负向拉伸A直线1、B直线2成为长度为H+L的C面3、E面7。然后关闭第一层与第二层，向A直线1、B直线2的方向延长抽出的直线段、圆弧线段，但是圆弧线段不能无限延长，用插入-曲线-基本曲线里的直线命令画直线相切于圆弧，并使这些直线与A直线1相交，接下来分割直线与圆弧相切处的直线段、圆弧线段，然后裁减掉相切处、A直线1、B直线2外多余的圆弧线段、直线段。继而用插入里扫掠曲面命令与网格曲面里的直纹面命令构造除A直线1、B直线2外线框架内的直线段、圆弧线段成4个直纹面、5个扫掠曲面，缝合这些面组成开放片体5，再把C面3、E面7向开放片体5的方向偏置距离f成为F面4、G面6，这样F面4、G面6与开放片5组成了封闭包围的状态，用修剪体命令使F面4、G面6与开放片体5交替做目标体与工具体来互剪掉外侧多余部分，最后缝合开放片体5与F面4、G面6使封闭片体成型。紧接着就是在加工模块创建加工方法，把建模模块第四层中构建的封闭片体设为零件几何体，第二层的空心圆柱设为毛坯几何体，令加工坐标系XM、YM、ZM置于零件几何体上表面圆柱圆心并与建模坐标系XC、YC、ZC重合，安全平面置于XC、YC平面上端hmm。用一把直径为D1的直齿铣刀生成程序，但在实际加工中让操作者用相同直径的镶硬质合金仿形铣刀进行切削。创建程序名称为PROGRAM1。创建方法为MILL_FINISH，设部件余量为0，内外公差为Δ。创建工序，此工序中主要包括几何体的选择与刀轨的设置。部件几何体与毛坯几何体已在父节点WORKPIECE中创建，UG中父节点WORKPIECE具有继承性，在本步不需要设立。指定修剪边界为封闭片体轮廓外侧，实则加工轮廓内部。刀轨设置中陡峭空间范围设为无，合并距离设为m，最小切削长度为m/2，每刀切深的最大距离为m/5，切削层范围1的顶部ZC为0，范围深度为H，测量开始位置为顶层。切削参数中策略对话框内切削方向为顺铣，切削顺序选用层优先，连接对话框中“层到层”的“斜削”和“直削”选项中选择直削，不选在层之间切削。非切削参数中封闭区域与非封闭区域采用直线进、退刀方式，长度为刀具直径的60％，进刀点在A直线1中点，区域之间转移类型选直接，区域内转移类型也选直接，更多对话框中勾选碰撞检查，其余设置均不改变。最后依据刀具材料设置合理的主轴转速与切削进给率。

所述加工方法的创建主要在加工模块里完成，针对本发明是解决复杂陡峭内轮廓曲面腔槽的侧壁加工，所以采用深度轮廓加工的方法，该方法根据分层切削深度依次用垂直于刀轴的平面去截曲面型腔，在每一层上规划刀轨，沿封闭片体轮廓对每层的加工区域用环切的方法进行填充。设置过程如下:首先把建模模块第四层构建的封闭片体设为零件几何体，第二层的空心圆柱设为毛坯几何体，让加工坐标系与建模坐标系重合，安全平面置于零件几何体上端hmm。接下来选用直径为D1的直齿铣刀生成程序，该直径要小于曲面腔槽底面的最大宽度，在实际加工中用一把相同直径镶硬质合金刀片的仿形铣刀，这种刀具耐用度高、换刀方便。创建程序名称为PROGRAM1。创建方法为MILL_FINISH，部件余量为0，内外公差为Δ。然后创建工序，此时不再设定部件几何体，因为部件几何体与毛坯几何体已在父接点WORKPIECE中创建，在后续加工中仍有继承性。指定几何体的修剪边界为所构建的封闭片体轮廓外侧，实则加工内部。陡峭空间范围设为无，无代表陡峭角度关，系统会自动认为陡峭的地方和不陡峭的地方都进行加工。合并距离设为m，设置此距离的目的是为了消除刀轨中小的不连续性，刀具从“工件”表面退刀，构造片体之间的微小缝隙，工件表面微小变化的陡峭度,这些因素都会导致不连续性的产生，因此合并距离m应为一个较小值，这样设置可使刀轨连贯。最小切削长度为m/2，该长度用于去除发生在工件孤岛区域内较小段的刀具路径，当切削运动距离小于设置的最小切削深度时，系统不会在该处生成刀具轨迹，这样就简化了刀轨。每刀的公共深度设为恒定，每刀切深的最大距离为m/5。在生成程序时系统会自动按范围深度H除以每刀切深m/5后所得到的层数依次完成所有层的切削。切削层范围1的顶部ZC为0，范围深度为H，测量开始位置为顶层。切削参数策略对话框内切削方向为顺铣，切削顺序选用层优先，即刀具完成当前层的加工后才会向下进刀；连接对话框中“层到层”的“斜削”和“直削”选项用于确定刀具从一层到下一层的放置方式，这样设置的好处是刀具切削完一层后无需抬刀到安全平面便直接进入下一层切削，斜削设置切削角是为了防止刀子直接扎到活上，影响零件表面精度。基于本发明是在空位处对所构建的封闭片体下刀，不会扎到零件壁上故选用直削。不选在层之间切削，层之间切削是为了消除刀具在底面留下的未切削部分，经分析曲面腔槽底面最大宽度与刀具直径D1基本相等，刀具不会在底面产生残留，不用在底面精铣，从而简短了程序。非切削参数中封闭区域与非封闭区域均采用直线进、退刀方式，长度为刀具直径的60％，进刀点在A直线1的中点，区域之间转移类型选直接，区域内转移类型也选直接，更多对话框中勾选碰撞检查。最后依据刀具材料设置合理的主轴转速与切削进给率。应用此方法设置参数可使刀轨简单，程序简短，效率提高。见表1。

表1

通过构建封闭片体做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法解决了复杂陡峭内轮廓曲面的型腔加工，任意形状的曲面腔槽都能用这种方法来构造封闭片体，并采用相同的深度轮廓加工参数设置来生成环切刀轨，这样生成的刀轨简单、程序简短，加工效率显著提高。

Claims (1)

1.一种具有复杂陡峭内轮廓曲面型腔的数控加工方法，其特征在于包括以下步骤：

在UG的建模模块里完成封闭片体的构建，零件几何体放在第一层，分析加工部位的深度、外径和内径；依据加工部位的深度、外径和内径尺寸在第二层做一个空心圆柱模型；把第一层零件几何体模型复制到第三层，以抽取体的方式抽出加工部位的片体模型，然后隐藏第三层的零件几何体；把第三层片体模型上影响轮廓外形的直线段、圆弧线段用抽取线的方法抽取出来复制到第四层，并在第四层完成封闭片体的构建；

设置视图为WCS，同时打开第一层的零件几何体与第二层的空心圆柱模型，参照刀具在零件几何体外空位处下刀画A直线(1)和B直线(2)，并使A直线(1)和B直线(2)分别平行于X轴和Y轴，然后沿Z轴负向拉伸成形成C面(3)和E面(7)；

保持视图方向不变，关闭第一层和第二层，向A直线(1)和B直线(2)的方向延长第四层中的直线段和圆弧线段，采用基本曲线里的直线命令作相切于圆弧线段的直线，使所述相切于圆弧线段的直线与A直线(1)相交，并分割直线与圆弧相切处的直线段和圆弧线段，然后裁减掉相切处、A直线(1)和B直线(2)外多余的圆弧线段和直线段；

把修剪好的线架框中各种线段作成扫掠曲面和直纹面，并把这些面缝合成开放片体(5)；将C面(3)和E面(7)向开放片体(5)的方向偏置成为F面(4)和G面(6)，这样F面(4)和G面(6)与开放片体(5)就构成了一个封闭包围的状态，用修剪体命令使F面(4)和G面(6)与开放片体(5)相互交替做目标体与工具体互剪掉外侧多余部分，最后依次缝合各个面使封闭片体成型。

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