基于VERICUT仿真和优化的复杂曲面加工策略研究*

陈晓晓 赵 军 李月恩② 韩式国 曹清园

(①山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061;②山东建筑大学艺术设计学院，山东济南 250010)

模具工业是制造业中的重要分支。现代模具制造中，型面设计日趋复杂，自由曲面的应用不断增加，模具制造精度要求逐渐提高，用户需求多样化，产品生命周期缩短，这对模具加工提出了更高的要求［1］。数控系统、数控机床、刀具技术、CAD/CAM软件等的不断发展，给模具高速加工注入了新的动力。

本文结合人面模具数控加工程序的编制，分析了复杂曲面模具的加工策略，并采用数控加工仿真系统软件VERICUT进行数控程序的模拟、验证、切削速度优化，提供了模具加工的系统性方法。

1 加工对象的建立

使用UG进行数控加工编程的一般流程为，第一步:使用UG或其他CAD软件造型，建立待加工工件及毛坯;第二步:初始化加工环境;第三步:工艺分析及规划;第四步:建立加工用刀具、加工方法、加工操作等，计算生成刀具轨迹;第五步:后处理，将刀具轨迹转化为特定数控机床能识别的NC代码。

图1所示为人面模具，作为数控加工编程的加工工件。毛坯长、宽、高分别为203 mm、161 mm、56 mm。

2 加工工艺分析及规划

2.1 粗加工

粗加工以提高加工效率为目标，要求采用大的材料切除率。因此应采用直径尽量高的刀具，尽量大的加工速度，但必须综合考虑刀具性能、工件材料、机床负载及损耗。一般来说，粗加工的刀具直径、切削深度和步进距离较大，而受机床负载能力的限制，切削速度和主轴转速较低。

粗加工大多数情况下使用型腔铣(CAVITY MILL)，故第1次粗加工采用型腔铣，加工刀具为直径25 mm的平头立铣刀ED25，加工余量为1 mm。

2.2 半精加工

半精加工以保证精加工前工件上所有需精加工区域的余量均匀为目标。由于采用大直径刀具进行型腔铣在非陡峭面上切削，各切削层之间会留下台阶，可能存在大直径刀具无法加工到的角落、凹谷或窄槽，因此需进行半精加工［2］。

因第1次加工后残留待加工材料较多，故第2次、第3次加工均采用型腔铣，使用“IPW”功能。加工刀具分别为直径20 mm的球头铣刀ED20BR10和直径10 mm的球头立刀 ED10BR5，加工余量分别为0.5 mm、0.25 mm。

IPW即残留毛坯。工件是由毛坯经过若干道工序加工而成的，在每道工序后都会有一个IPW。利用IPW计算刀轨是数控加工发展的一个方向。采用IPW功能，以上一道工序加工完成后的残留毛坯为基准计算下一道工序的刀轨，可以去除空刀，提高加工效率［2］。

图2、图3所示分别为第2次、第3次加工后残留毛坯。可以看出第3次加工后余量已基本均匀。

图4所示为第3次加工后鼻子部位刀轨痕迹。

2.3 精加工

精加工以保证高的加工表面质量为目标。通常曲面精加工都采用固定轴曲面轮廓铣(Fixed contour)，设置较大的每齿进给量、主轴转速、较小的切削深度和切削宽度;也可采用型腔铣进行粗加工、半精加工、精加工。

本例采用型腔铣进行精加工，使用“IPW”功能。加工刀具为直径10 mm的球头铣刀ED10BR5，加工余量为0 mm。

第4次加工后残留毛坯更接近真实零件，但仍存在10 mm球头铣刀未加工到的区域，故需采用小直径刀具清除大直径刀具未加工到的区域。第5次、第6次加工均采用型腔铣，使用“参考刀具”及“IPW”功能，加工刀具分别为直径4 mm的球头铣刀ED4BR2和直径2 mm的球头铣刀ED2BR1。参考刀具功能如图5所示。

2.4 清角加工

采用固定轴曲面轮廓铣的清根切削驱动方式进行清角加工。清根切削驱动方式是一种比较智能化的生成刀轨的驱动方式，系统自动沿工件的凹角与凹谷生成驱动点，在此区域生成刀位轨迹。

第7次、第8次加工均采用固定轴曲面轮廓铣清角切削驱动方式，加工刀具分别为直径2 mm的球头铣刀ED2BR1和直径1 mm的球头铣刀ED1BR0.5。

图6、图7分别为第7次、第8次清角加工刀轨。

3 VERICUT仿真、验证、优化

后处理生成CLS文件和NC文件，在VERICUT中仿真、验证数控程序。图8为APT－CLS刀轨仿真、验证;图9a为NC程序机床系统仿真，9b为局部放大图，可验证程序正确性及安全性，避免加工系统干涉、过切等错误的产生。

利用刀具优化库，基于切削条件和材料去除率可自动地优化进给速度［3］。本文采用恒定体积切除率模式优化数控程序。优化前后数控程序运行时间(表1)分别为483.09 min、247.44 min，节省时间48.78%。可看出优化后加工效率大幅提高，并可保证较稳定的体积去除率，避免冲击载荷，提高加工质量［4］。

表1 优化前后各刀具用时对比表

4 结语

利用CAM软件进行复杂曲面模具的数控加工编程，并利用数控加工仿真系统VERICUT进行数控程序的仿真、验证、优化，利用计算机辅助设计、制造一体化，使整个加工过程具有前瞻性，确保数控程序的安全性和高效性。为实现加工质量、加工效率、加工成本整体最优化，必须综合考虑刀具、切削参数的选择、工艺过程的规划等，并充分发挥CAD/CAM软件的作用，更好地实现模具高速加工。

［1］盛晓敏，邓朝晖，杨旭静，等.先进制造技术［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］罗和喜.UGNX4中文版数控加工专家实例精讲［M］.北京:中国青年电子出版社，2007.

［3］李云龙，曹岩.数控机床加工仿真系统VERICUT［M］.西安:西安交通大学出版社，2005.

［4］杨胜群，唐秀梅，李克安，等.VERICUT数控加工仿真技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.