基于UG10.0的圆孔高速螺旋铣削技术应用研究

潘强 马海波

摘要：应用UG10.0自动编程软件编程，针对多规格尺寸孔、交叉孔及斜面孔等，采用1把数控铣刀，利用螺旋铣削的方法，高效、快速地完成程序编制和零件孔的加工，本方法不仅可以大大缩减刀具的使用数量，同时通过示例模拟切削比较，也大大降低了生产用时，提高了生产效率，且孔壁表面质量更好，孔及孔位精度更高。

关键词： UG10.0;高速螺旋铣;改公差;添指令;螺旋直径;自动编程

中图分类号： TG54  文献标识码： A 文章编号： 2095-8153（2019）04-0073-04

0 引言

在汽车零部件加工中，经常可以碰到同一零件上设计有几种甚至多达几十种规格尺寸的孔，零件倾斜面上设计有轴线非垂直于斜面上的孔，零件上设计有2孔或多孔交叉构成的型腔（即交叉孔）。对于这类零件我们一般优先采用数控铣床或加工中心设备，运用数控系统固化的孔钻削加工循环指令如：G81/G83等进行程序编制。但是由于孔的规格尺寸偏多，准备与之匹配的钻头、铰刀等刀具也偏多，从而大大拉长了刀具选换使用过程周期。针对斜面孔、交叉孔加工，往往采用铣削工艺先行辅助或专用工装夹具才能完成加工任务和技术要求。整个生产过程备刀多、换刀多，生产效率低，且孔及孔位质量与精度也难于保证。

鉴于此，本文提出一种应用UG10.0自动编程软件，针对多规格尺寸孔、交叉孔、斜面孔等，采用一把数控铣刀，利用螺旋铣削的方法，高效、快速地完成零件孔的铣削加工。

1 高速螺旋铣削简介

UG10.0中高速螺旋铣削是一种直接利用螺旋式下刀切入，对孔进行铣削加工的一种自动编程方法[1]，其具有转速高、进给快、不抬刀（铣削未完成前）、不換刀等特点。其主要对象为孔类，尤其是在如图1所示的多规格尺寸孔、斜面孔、交叉孔加工方面，效率极高、精度极好、质量极佳，非常具有工程应用推广价值。

2 高速螺旋铣削适用对象

（1）适用对象1：规格尺寸偏多的孔类零件，且孔尺寸最好介于1～2倍刀具之间，如图2所示，该零件共计设置7个孔位（左1单列1行，列2-4分为2行，上下为螺旋中心是否偏离孔中心切削轨迹对比），列数1为1倍刀径孔，列数2为1.5倍刀径孔，列数3为2倍刀径孔，列数4为3倍刀径孔。经软件编程编程仿真得出以下结论：

1倍径孔加工需特殊处理。因1倍刀径孔螺旋直径为0不能生成螺旋轨迹，若孔基准尺寸增加0.05mm以上且内/外公差设置值为0.001以下，经软件计算才能生成螺旋轨迹;

1.5～2倍径孔加工可控，只要把握好螺旋直径的设置值（孔径-刀具直径）均可正常切削完成加工，把握不好会出现图2中所示螺旋中心偏离孔中心而出现螺旋切屑完毕后壁余量过大，最后一次清壁加工时易出现断刀事故。

3倍径孔加工不好把控，加工过程中会出现1.5～2最后清壁余量大而断刀的情况;另一参数设置也可能出现为1环槽铣削加工，也易出现断刀事故。

（2）适用对象2：设置于斜面上的孔类零件，该类孔加工采用传统的加工工艺为铣平面—中心孔—钻孔等共计3序（暂不考虑扩或铰加工）或采用专用钻削工装夹具辅助导向钻削加工完成，而采用螺旋铣削则可以一序加工到位。

（3）适用对象3：具有孔位交叉重合的零件，该类零件一般为钻削加工完整孔位铣削加工不完整孔位或是采用专用钻削工装夹具辅助导向钻削加工完成，而采用螺旋铣削则可以一个交叉孔对象进行1次螺旋铣削加工完成，不存在切削壁余量不均匀而尺寸移位现象。

（4）适用对象4：设置有沉头孔的零件，且沉头直径/孔径≤3（原因分析参考适用对象1中的原因分析），传统的方法沉头在孔钻削完成后进行锪孔处理或是直接使用台阶钻加工完成，而采用螺旋铣削则可以分沉头和孔各1次螺旋铣削加工完成。

3 高速螺旋铣参数设置

如图3所示，其为利用UG10.0CAM软件编制高速螺旋铣削程序的主模式（型腔铣）选择、参数设置步骤与设置值，具体参数设置及说明参见表1。

4 高速螺旋铣削精度控制方法

（1）改公差：提高软件切削参数中的内/外公差等级，根据DDA数控插补原理，公差越小，刀轨拟合轨迹样条精度就越高，理论形状轨迹就越接近，零件的形状精度更佳，表面质量也更好。

（2）添指令：针对Fanuc数控系统，需要添加G05.1（AI先行控制/AI轮廓控制）指令，它是以高速高精度加工为目的预读程序段功能，AI先行控制最多可以预读20个程序块，AI轮廓控制最多可以预读40个程序块，并进行插补前加速/减速，由此可顺利实现多个程序块之间的加速/减速，进行更加高速的加工。通过使用本功能，可以有效控制在进刀速度加快时变大、加速/减速的迟延以及伺服系统的迟延，由此来减少加工形状的误差。具体做法：位置记录开始时添加G05.1 Q1（ON）使之功能激活，位置记录结束时添加G05.1 Q0（OFF）使之功能结束。

5 高速螺旋铣削加工注意事项

高速螺旋铣削加工一般需要把握好311（即“三设置一处理一选用”）原则，具体如下：

（1）螺旋直径的设置，一般遵循原则：螺旋直径=加工要求孔径-刀具直径，否则极易出现螺旋中心与孔中心不一致，容易出现孔侧壁余量不均，刀具会因切削力突然增大而断刀。

（2）最小斜面长度设置，一般遵循的原则：设置值与螺旋直径一致，当大于螺旋直径时会出现“螺旋进刀直径必须大于等于最小斜面长度”警示对话框，造成无法生成刀轨;当小于螺旋直径会出现壁余量过大，最后一次清壁加工时因一次去除材料体积过大造成切削力过大而断刀。

（3）螺旋斜坡角的设置，一般遵循的原则：生成的螺旋刀轨两圈之间距离0.25-0.5 mm左右即可。坡角设置过大会出现进给迅猛，单位时间内去除材料体积偏大造成切削力大而断刀，坡角设置过低会出现刀具与材料始终处于亲密接触干摩擦状态，摩擦产生的高温会加剧刀具的磨损，影响刀具的使用寿命。

（4）切屑的急排处理，因螺旋式切削完成之前刀具是无抬刀动作的，那么切削产生的铁屑如果不能从孔内及时排除，积屑与刀具摩擦会产生高温，从而使积屑烧结于孔壁影响孔的表面质量与精度，同时冲击切削力也极易造成刀具的侧刃的崩刃，加剧刀具的磨损。

（5）冷却方式的选用，为了更好地有效解决切削过程中切屑在孔内的停留，因整个加工过程中孔基本上为盲孔状态，故不宜选用液冷，而宜选用高压气体的冷却方式。较之液冷，其在切屑及时排放需求下与主轴高速旋转方式下冷却效果会更佳一些。

6 编程实例

如图1，毛坯为右方已倒斜角的块料，材料为45#钢。

该零件上设置了直径从10 mm-20 mm，共计11种尺寸规格的孔（所有加工孔位公差取上偏差+0.05 mm），其中包含1处交叉孔、3处斜面孔。如果选用直径为Φ10 mm的数控直立铣刀，孔的尺寸介于1～2倍刀具之间。

如果使用传统的钻削加工工艺方法，大概需要换刀15次左右（其中铣沉头、斜面钻削工艺面共用1把刀A，钻工艺孔为1把中心钻B，钻孔11把麻花钻C-M，交叉孔1个扩铣1把刀A，整体孔口倒角1把刀N），以加工中心换刀20秒/次计，换刀共计需要15s*16=240s=4min;以平均進给100mm/min，单孔切屑完成大概用时40mm100mm/min=0.40min（35mm含工艺孔和钻孔深度轨迹），所有孔加工完成用时为0.4min*14=5.6min，整体需要9.6min左右。

如果采用高速螺旋铣削方式，选用一把直径为10mm的四刃平底直柄立铣刀即可，经用NC Viewer软件模拟加工时间为6.35min（转速S=2992r/min，进给F=0.15*4*2992=1795.2mm/min，斜坡角1.5度），程序如下（节选）：

7 结语

与传统钻孔工艺相比，螺旋铣孔采用了完全不同的加工方式。螺旋铣孔过程由主轴的自转和主轴绕孔中心的公转2种运动复合而成[2]。结合图1所示零件加工，应用高速螺旋铣削方式，安装一把刀具即可完成所有孔的加工，不需要反复换刀，不需要进行零件翻转，从而实现高效、高精、高质量的加工目的，通过软件对刀轨进行仿真切削用时对比，后者生产效率可以提高0.5倍以上，具有深远的工程应用推广价值。

[参考文献]

[1]蒋悦情.浅谈螺纹的铣削加工[J].CAD/CAM与制造业信息化，2010（09）：79.

[2]戚宝运，王俊祥.螺旋铣孔技术的原理及其应用[J].新技术新工艺，2013（07）：11.

Abstract：This paper presents an automatic programming software UG10.0， which uses a numerical control milling cutter for multi-size holes， cross holes and inclined holes. By means of spiral milling， the programming and processing of part holes can be completed efficiently and quickly. The number of tools used can be greatly reduced， and at the same time， the production time is greatly reduced， the production efficiency is improved， and the surface quality of the hole wall is better， and the accuracy of hole and hole position is higher， compared with simulated cutting by examples.

Key words： UG10.0; high-speed helical; milling tolerance; add instruction; helical diameter; automatic programming