CN109459978A - 一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法，该方法应用UG软件建模构建毛坯几何体,并根据加工中选用铣刀实际直径D的大小与加工中设置的走刀切削步距在毛坯几何体上添料得到毛坯几何体，并在毛坯几何体上下刀环切部件几何体，加工出最终的实体，这个方法有效的解决了复杂陡峭深型腔加工中出现的扎刀问题。

Description

一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，涉及一种型腔加工中防止扎刀的数控加工方法，特别是涉及一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法。

背景技术

参见图10，文献“基于MasterCAM的数控铣削过切与扎刀问题解决方法应用实例，制造技术与机床数控专栏，2013年第9期”公开了一种开放型腔防止扎刀的数控加工方法。此方法基于应用MasterCAM软件进行挖槽加工时若不选用精修方式而不能设置进退刀向量参数的现状，而采用延长槽两边直线长度至z+p，p取一个较小值，同时绘制辅助线连接两延长线串联槽开放轮廓，之后做一直径为d的圆公切于延长线与辅助线并确定该公切圆的圆心A点，在型腔铣挖槽加工生成刀轨时点选A点与槽的串联轨迹的方法。该方法确保了该槽在型腔挖槽加工时刀具在空位处下刀。但该方法只适于型腔底面是平面的简单开放型腔加工；对于底面有陡斜面、圆弧面、平面的开放复杂陡峭深型腔则不能用MasterCAM软件简单的绘制辅助线串联开放轮廓，人为的设置下刀点来防止扎刀，因此文献所述方法具有局限性。

综上所述，现有基于MasterCAM的数控铣削中扎刀问题的解决方法受型腔底面形状的限制，所提出通过绘制辅助线串联开放轮廓，人为的设置下刀点来防止扎刀的方法具有局限性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了克服现有的技术方法对于底面是陡斜面、圆弧面、平面的开放复杂陡峭深型腔不能用MasterCAM软件简单的绘制辅助线串联开放轮廓，并人为设置下刀点来防止扎刀的不足，本发明提出了一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的一种数控加工方法。该方法应用UG软件建模构建毛坯几何体2,并根据加工中选用铣刀实际直径D的大小与加工中设置的走刀切削步距在毛坯几何体2上添料得到毛坯几何体3，并在毛坯几何体3上下刀环切部件几何体4，加工出最终的实体1，这个方法有效的解决了复杂陡峭深型腔加工中出现的扎刀问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、待加工成品实体包括三个台阶面，分别是第一高台阶面、第二高台阶面、第三高台阶面；基于实体，创建毛坯几何体；

步骤二、为使下刀点在实体外的空位处，继续在UG软件中构件毛坯几何体；包括以下几步：

子步骤一：确定第一部分增添面积，包括以下几步：

(1)根据型腔铣切削步距中刀具平面直径百分比Q的值来计算铣刀每刀的单个切削步距H。

H＝D×Q％

其中D为加工中实际选用的刀具直径尺寸。

(2)、在型腔铣中选择跟随周边走刀创建刀具路径，此方法创建的刀具路径是沿切削区域轮廓偏置距离H后得到的顺序同心轨迹，依次类推偏置生成所有的封闭刀具路径，为使下刀点始终在实体1外空位处，其应偏置n个刀具切削步距,可确定总的切削步距J。

J＝2×n×H

(3)、根据实体构建的毛坯几何体的长为L，宽为K，铣刀在垂直于宽度K的方向上进刀，要使刀子不扎到实体上，刀子进刀点的距离J>K+D，由上式J＝2×n×H，可推知n值的大小。

(4)、这样就可以确定第一部分增添面积尺寸为D×N。

N＝(J－K)+m

上式中m为任意值。

子步骤二：确定第二部分增添面积；

采用深度优先的加工方式，则在UG软件加工系统依次生成第一高台阶面、第二高台阶面、第三高台阶面的刀轨，同时为使下刀点不落在实体上，确定第二部分增添面积尺寸T×S，S与第二高台阶面等长，等长的目的是为了切削台阶面时刀具路径Ⅰ、Ⅱ同时向外延伸，刀具下刀点不落到实体上，T的尺寸如下式。

T＝D+1+m

上式中m为任意值。

子步骤三：

(1)在UG建模模块中，以毛坯几何体的上表面为基准做矩形D×N与T×S，且矩形D×N的位置在对应的第三高台阶面的中部，矩形T×S的位置在对应的第二高台阶面的中部。

(2)在UG建模模块中分别拉伸第一部分添料面积D×N与第二部分添料面积T×S高I得到长方体D×N×I、T×S×I，其I为一个较小值，最后使毛坯几何体与长方体D×N×I、T×S×I求和得到毛坯几何体；再在加工模块毛坯几何体菜单中选择毛坯几何体；

步骤三：构建部件几何体，包括以下子步骤：

子步骤一：构建辅助片体B、C、E；辅助片体B位于第一高台阶面的边缘处，辅助片体C位于第二高台阶面的边缘处，辅助片体E位于第三高台阶面的边缘处；

子步骤二：构建辅助片体F、G：辅助片体F和辅助片体G分别位于几何体的两端，其中辅助片体F位于靠近第三高台阶面的一端，所在平面和辅助片体E所在平面相互垂直；辅助片体G位于靠近第二高台阶面的一端，所在平面和辅助片体C平面相互垂直；

子步骤三：在UG加工模块中指定部件几何体由实体和辅助片体B、C、E、F、G组成；

步骤四：刀具顺序设置与路径规划；

以第三高台阶面底面为基准创建尺寸为L×J矩形框修剪边界，L与实体长度一致，设置修剪侧为外部；

采用带小R的镶硬质合金刀片的铣刀；

切削模式选择跟随周边，切削参数中刀路方向为向内，切削方向设为顺铣，切削顺序为深度优先，切削深度为恒定，非切削移动中设封闭区域的进刀方式与开放区域相同，起点/钻点置于矩形D×N的D/2处，进刀类型为线性，进刀长度大于刀具半径。

发明效果

本发明的技术效果在于：

1、现有加工方法仅适用于型腔底面是平面的简单开放型腔的加工，而本发明方法适用于底面是任何形状的开放复杂陡峭深型腔加工，例如底面是陡斜面、圆弧面、平面的开放复杂陡峭深型腔。

2、采用现有加工方法加工一个工件需8个小时以上，而采用本发明加工方法仅需4-5个小时左右，提高了功效；

3、本发明方法通过在毛坯几何体2上添料，并在实体1外空位处设置下刀点的方法，克服了在加工开放复杂陡峭深型腔时易出现的扎刀的问题，工件加工合格率100％；

4、现有加工方法容易造成刀具损坏，采用本发明方法有效防止扎刀的同时提高了刀具耐用度，换一次刀片可加工3件工件；并且刀片损坏后仅需直接更换刀片即可，不需拆卸刀头等部件；

5、采用本发明加工方法避免了因扎刀对操作人员造成的伤害。

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是本发明方法的实体9结构示意图。

图2是本发明方法的第一毛坯几何体10结构示意图。

图3是本发明方法的第二毛坯几何体11结构示意图。

图4是本发明方法中的部件几何体12结构示意图，其包括实体9、辅助片体B、C、E、F、G。

图5是本发明方法中毛坯几何体2上添料的面积大小计算示意图。

图6是本发明方法中加工顺序选择深度优先的加工顺序示意图。

图7是本发明方法中切削第一高台阶面1的路径示意图。

图8是本发明方法中切削第三高台阶面3的路径示意图。

图9是本发明方法中切削第二高台阶面2的路径示意图。

图10是背景技术中绘制辅助线串联开放轮廓及确定下刀点A的示意图。

其中，图4中，1-第一高台阶面，2-第二高台阶面，3-第三高台阶面，4-片体F，5-片体E，6-片体B，7-片体C，8-片体G，9-实体，10-第一毛坯几何体，11-第二毛坯几何体，12-部件几何体，

具体实施方式

参照附图1-10，本发明一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的一种数控加工方法，具体包括以下步骤；

步骤一、根据实体9的实际外形，在UG软件中创建毛坯几何体

1、根据实体1的实际外形，在UG软件中构建毛坯几何体，本实施例中，用UGNX8.0软件来创建毛坯几何体；

2、为使下刀点在实体1外的空位处，继续构建毛坯几何体11；毛坯几何体11的构建包括以下几步:

(1)、确定在毛坯几何体10上增添的第一部分和第二部分添料的尺寸大小第一部分增添面积：

a、根据型腔铣切削步距中刀具平面直径百分比Q的值来计算铣刀每刀的单个切削步距H。

H＝D×Q％

其中D为加工中实际选用的刀具直径尺寸。

b、在型腔铣中选择跟随周边走刀创建刀具路径，此方法创建的刀具路径是沿切削区域轮廓偏置距离H后得到的顺序同心轨迹，依次类推偏置生成所有的封闭刀具路径，为使下刀点始终在实体1外空位处，其应偏置n个刀具切削步距,可确定总的切削步距J。

J＝2×n×H

c、加工部件的毛坯几何体长为L，宽为K，铣刀在垂直于宽度K的方向上进刀，要使刀子不扎到实体9上，刀子进刀点的距离J>K+D，由上式J＝2×n×H，可推知n值的大小。

d、这样就可以确定第一部分增添面积尺寸为D×N。

N＝(J－K)+m

上式中m为任意值。

第二部分增添面积：

实体1有3个台阶面，分别是第一高台阶面1、第二高台阶面2、第三高台阶面3，在选用了深度优先加工方式后，UG软件加工系统依次生成第一高台阶面1、第三高台阶面3、第二高台阶面2的刀轨，虽第三高台阶面3比第二高台阶面2低，但该系统也会自动先生成第三高台阶面3的刀轨，再生成第二高台阶面2的刀轨，而第三高台阶面3与第二高台阶面2之间有第一高台阶面1间隔，此时在切削第二高台阶面2时会产生跳刀并重新产生进刀的刀轨，为使下刀点不落在实体1上，确定第二部分增添面积尺寸T×S，S与第二高台阶面2等长，等长的目的是为了切削第二高台阶面2时刀具路径Ⅰ、Ⅱ同时向外延伸，刀具下刀点不落到实体1上，T的尺寸如下式。

T＝D+1+m

上式中m为任意值。

(2)分别拉伸第一部分增添面积、第二部分增添面积与毛坯几何体2求和，得到毛坯几何体3

a、在UG建模模块的草图菜单下以毛坯几何体2的上表面为基准，做矩形D×N与T×S，且矩形D×N的位置在对应的第三高台阶面3的中部，矩形T×S的位置在对应的第二高台阶面2的中部。

b、在UG建模模块中分别拉伸第一部分添料面积D×N与第二部分添料面积T×S，高为I，得到长方体D×N×I、T×S×I，其I为一个较小值，最后使毛坯几何体2与长方体D×N×I、T×S×I求和得到毛坯几何体3。在加工模块毛坯几何体的选择中指定毛坯几何体11。

步骤二、构建部件几何体4

1、构建辅助片体B、C、E。

本发明在加工模块中指定的毛坯几何体是毛坯几何体3，为使刀轨在第一高台阶面1、第二高台阶面2、第三高台阶面3的底面分别停止，在UG建模模块里的草图菜单下分别以实体1上第一高台阶面1、第二高台阶面2、第三高台阶面3底面为基准做三个矩形，长度分别与第一高台阶面1、第二高台阶面2、第三高台阶面3等长，宽度大于刀具直径D，再用直纹面命令构造三矩形成为片体B、C、E。

2、构建辅助片体F、G。

为了不切削到实体1的O面与P面，分别以实体1上的U面、V面为基准在UG建模里的草图菜单下做两个矩形，矩形长度为N，U面上的矩形宽度是实体1上台阶面3到实体1顶面的距离，V面上的矩形宽度是实体1上台阶面2到实体1顶面的距离，接着再用直纹面命令构造两矩形成为片体F、片体G。

3、在UG加工模块中指定部件几何体4为实体1、辅助片体B、C、E、F、G。步骤三、刀具切削顺序设置与路径规划

1、为在实体1外不产生多余刀轨，在UGNX8.0建模模块的草图菜单下，以第三高台阶面3底面为基准在上做一个长为L，宽为J矩形框，指定修剪边界为该矩形框，设置修剪侧为外部，实则加工内部。

2、加工切削刀具选择直径为D且带小R的镶硬质合金刀片的铣刀。

3、切削模式选择跟随周边，其切削轨迹将沿切削区域轮廓向内依次偏置切削步距H，如果选用跟随部件，系统会对有型腔的地方向外进刀，对有岛屿或凸台的地方向内进刀，刀轨混乱，这样可能会切削到实体1，对不需要切削的地方也产生刀轨，故切削模式选用跟随周边。切削步距为刀具平面直径百分比Q，每刀的公共切深置为恒定，最大距离取一个较小值。刀具每刀的公共切深设为恒定，其最大距离取一个较小值，这样可以减少刀具磨损，增强刀具的耐用度，同时提高工件表面光洁度。

4、切削参数中刀路方向为向内，切削方向设为顺铣，在采用顺铣加工时，侧向切削深度的切削力Fy比走刀方向的切削力Fx与轴向切削力Fz都大，即侧向切深分力是主切削力，而在采用逆铣加工时，走刀方向的切削力Fx比侧向切削深度的切削力Fy与轴向切削力Fz都大，即走刀方向的切削力Fx是主切削力。切削力Fx越大，就越可能造成刀具与工件变形，顺铣时刀具的切削厚度由最大逐渐减小到零，刀具切入工件后不会因为切不下切屑而造成弹刀现象，工艺系统刚性好，而逆铣时刀具切入厚度由零逐渐增加到最大，在刀具刚切入工件时由于切削厚度小，刀具将在工件表面划过一段距离，此时碰到工件材质中硬的质点或是残留在工件表面的切屑就会造成刀具的弹刀或振颤，故切削方向用顺铣好。切削顺序为深度优先，刀具在到达每个腔的底部后才会离开腔体，进行下一个切削区域的加工，这种切削方式可以减少退刀和转换的次数，减少刀轨，提高功效。

5、非切削移动中设封闭区域的进刀方式与开放区域相同，起点/钻点置于矩形D×N的边D/2处，进刀类型为线性，长度为刀具直径的60％。这样刀具在切削第一高台阶面1与第三高台阶面3时进刀与退刀点都在点M处，刀具在切削第一高台阶面2时进退刀点都在点N处，其余参数设置均不改变。参见具体附图，说明如下：

图7中，刀具从点M下刀，每一切深按照图中所示方向依次切削第1圈、第2圈、第3圈、第4圈、第5圈，最后回到M点，完成第一高台阶面1的切削。

图8中，刀具从点M下刀，每一切深按照图中箭头所示方向依次切削第①圈、第②圈、第③圈，最后回到M点，完成第三高台阶面3的切削。

图9中，刀具从点M抬刀到N点下刀，每一切深按照图中箭头所示方向依次切削第Ⅰ圈、第Ⅱ圈，最后回到N点，完成第二高台阶面2的切削。

本发明通过在构建的毛坯几何体上添料，并把下刀起点置于实体外添料毛坯几何体上的方法，克服了现有的技术方法对于底面是陡斜面、圆弧面、平面的开放复杂陡峭深型腔加工中不可有效防止扎刀的现状，刀轨简单、明了，加工效率显著提高。该方法适用于任何形状的开放复杂陡峭深型腔加工。

Claims (1)

1.一种开放复杂陡峭深型腔加工中防止扎刀的数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、待加工成品实体(9)包括三个台阶面，分别是第一高台阶面(1)、第二高台阶面(2)、第三高台阶面(3)；基于实体(9)，创建毛坯几何体(10)；

步骤二、为使下刀点在实体(9)外的空位处，继续在UG软件中构件毛坯几何体(10)；包括以下几步：

子步骤一：确定第一部分增添面积，包括以下几步：

(1)根据型腔铣切削步距中刀具平面直径百分比Q的值来计算铣刀每刀的单个切削步距H。

H＝D×Q％

其中D为加工中实际选用的刀具直径尺寸。

(2)、在型腔铣中选择跟随周边走刀创建刀具路径，此方法创建的刀具路径是沿切削区域轮廓偏置距离H后得到的顺序同心轨迹，依次类推偏置生成所有的封闭刀具路径，为使下刀点始终在实体1外空位处，其应偏置n个刀具切削步距,可确定总的切削步距J。

J＝2×n×H

(3)、根据实体(9)构建的毛坯几何体(10)的长为L，宽为K，铣刀在垂直于宽度K的方向上进刀，要使刀子不扎到实体(9)上，刀子进刀点的距离J>K+D，由上式J＝2×n×H，可推知n值的大小。

(4)、这样就可以确定第一部分增添面积尺寸为D×N。

N＝(J－K)+m

上式中m为任意值。

子步骤二：确定第二部分增添面积；

采用深度优先的加工方式，则在UG软件加工系统依次生成第一高台阶面(1)、第二高台阶面(2)、第三高台阶面(3)的刀轨，同时为使下刀点不落在实体(9)上，确定第二部分增添面积尺寸T×S，S与第二高台阶面(2)等长，等长的目的是为了切削台阶面(2)时刀具路径Ⅰ、Ⅱ同时向外延伸，刀具下刀点不落到实体(9)上，T的尺寸如下式。

T＝D+1+m

上式中m为任意值。

子步骤三：

(1)在UG建模模块中，以毛坯几何体(10)的上表面为基准做矩形D×N与T×S，且矩形D×N的位置在对应的第三高台阶面的中部，矩形T×S的位置在对应的第二高台阶面的中部。

(2)在UG建模模块中分别拉伸第一部分添料面积D×N与第二部分添料面积T×S高I得到长方体D×N×I、T×S×I，其I为一个较小值，最后使毛坯几何体(10)与长方体D×N×I、T×S×I求和得到毛坯几何体(11)；再在加工模块毛坯几何体菜单中选择毛坯几何体(11)；

步骤三：构建部件几何体(12)，包括以下子步骤：

子步骤一：构建辅助片体B、C、E；辅助片体B位于第一高台阶面的边缘处，辅助片体C位于第二高台阶面的边缘处，辅助片体E位于第三高台阶面的边缘处；

子步骤二：构建辅助片体F、G：辅助片体F和辅助片体G分别位于几何体的两端，其中辅助片体F位于靠近第三高台阶面的一端，所在平面和辅助片体E所在平面相互垂直；辅助片体G位于靠近第二高台阶面的一端，所在平面和辅助片体C平面相互垂直；

子步骤三：在UG加工模块中指定部件几何体(12)由实体(9)和辅助片体B、C、E、F、G组成；

步骤四：刀具顺序设置与路径规划；

以第三高台阶面底面为基准创建尺寸为L×J矩形框修剪边界，L与实体长度一致，设置修剪侧为外部；

采用带小R的镶硬质合金刀片的铣刀；

切削模式选择跟随周边，切削参数中刀路方向为向内，切削方向设为顺铣，切削顺序为深度优先，切削深度为恒定，非切削移动中设封闭区域的进刀方式与开放区域相同，起点/钻点置于矩形D×N的D/2处，进刀类型为线性，进刀长度大于刀具半径。