基于NX數(shù)控加工技術(shù)在毛坯粗加工階段的應(yīng)用，對(duì)軟件新推出的“自適應(yīng)銑削”與經(jīng)典的“型腔銑”加工策略進(jìn)行分析和對(duì)比，結(jié)合典型零件的生產(chǎn)過(guò)程，綜合運(yùn)用編程優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化粗加工方法，快速去除大部分余量，提升加工效率。
1 序言
數(shù)控編程是數(shù)控加工最基礎(chǔ)的工作，各個(gè)加工階段的確定和加工方法的選擇，是在數(shù)控編程之前進(jìn)行加工工藝分析的重要環(huán)節(jié)，需要針對(duì)不同的加工環(huán)境，以及不同的加工余量選擇不同的加工方法。本文針對(duì)NX 12.0.2新推出的“自適應(yīng)銑削”與經(jīng)典的“型腔銑”兩種粗加工編程策略的不同加工方法，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中其在某典型零件加工過(guò)程中的應(yīng)用，對(duì)其刀具軌跡和加工效率進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出其對(duì)切削過(guò)程產(chǎn)生的不同影響。
2 加工策略
2.1 型腔銑
“型腔銑（Cavity_Mill）”是通過(guò)去除垂直于固定刀軸的平面切削層中的材料對(duì)零件輪廓形狀進(jìn)行粗加工[1]，是NX系列中常用于粗加工的經(jīng)典編程模塊，主要具有以下特點(diǎn)。
1）在三維曲面復(fù)雜、島嶼比較多的零件或者模具加工中，型腔銑能夠快速地對(duì)加工物件進(jìn)行一次和二次粗加工，對(duì)于快速去除多余材料有著重要的地位。
2）應(yīng)用“型腔銑”時(shí)，常選用一定直徑的（可轉(zhuǎn)位）立銑刀，以跟隨部件／跟隨周邊等特定的切削模式和切削方向，通過(guò)設(shè)定切削層和水平行間距，以“小切深、大步距”的逐層切削方式去除余量，進(jìn)行粗加工。即側(cè)吃刀量（ae）大，背吃刀量（ap）小，平均切屑厚度（hm）不恒定。
2.2 自適應(yīng)銑削
NX 12.0.2新推出的“自適應(yīng)銑削（Adaptive_Milling）”高速加工命令，用于粗加工、重切削，是很實(shí)用的一個(gè)功能。該命令在垂直于固定軸的平面切削層使用自適應(yīng)切削模式對(duì)一定量的材料進(jìn)行粗加工，具有以下主要特點(diǎn)。
1）更適用于針對(duì)側(cè)壁切削余量變化比較大和具有較大加工深度的直壁島嶼，以及槽腔底面為平面的加工物件，以部件側(cè)壁為層進(jìn)行粗加工。
2）應(yīng)用“自適應(yīng)銑削”時(shí)，一般根據(jù)切削材料選擇一定規(guī)格的立銑刀，采用“小步距、大切深”的方法去除余量，同時(shí)維持刀具進(jìn)刀方向一致，始終保持順銑切削。即側(cè)吃刀量（ae）小，背吃刀量（ap）大，平均切屑厚度（hm）恒定。
由此可見(jiàn)，在兩種粗加工方式都適用的條件下，一個(gè)零件的粗加工，可以編制出兩種不同的數(shù)控程序，但是程序之間在加工理念上卻有著本質(zhì)的區(qū)別。通常，自適應(yīng)銑削工序以盡可能多地利用切削刃長(zhǎng)度來(lái)增加切削深度，從而提高加工效率；而“型腔銑”則是利用刀具的平面直徑百分比。那么，在實(shí)際生產(chǎn)中，新增的“自適應(yīng)銑削”，相對(duì)于傳統(tǒng)的“型腔銑”，能否帶來(lái)生產(chǎn)效率的提升？我們通過(guò)一個(gè)加工實(shí)例，將兩者進(jìn)行對(duì)比分析。
3 應(yīng)用實(shí)例
3.1 零件特征
圖1所示某型支座為航空某型產(chǎn)品組件（其中半透明顯示為毛坯），材料牌號(hào)為7075，要求表面粗糙度值Ra=3.2μm，局部表面粗糙度值Ra=1.6μm。該零件最小包容體尺寸為100mm×94.828mm×70mm，加工前的毛坯為φ 120mm×76mm圓棒，首批試制生產(chǎn)數(shù)量為左右對(duì)稱各30件。
a）頂部軸側(cè)視圖 b）底部軸側(cè)視圖
圖1 支座
零件材質(zhì)為鋁合金，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的力學(xué)性能[2]，在航空裝備制造中較為常見(jiàn)，具有一定的代表性。通過(guò)NX 12.0軟件測(cè)算，加工后的工件與加工前毛坯的體積比達(dá)到1：7，粗加工過(guò)程將占用整個(gè)零件切削加工的大部分時(shí)間，是生產(chǎn)效率提升的關(guān)鍵。從工件的結(jié)構(gòu)和加工余量的分布來(lái)看，粗加工區(qū)域具有較大的切削深度和銑削寬度，“自適應(yīng)銑削”和“型腔銑”這兩種粗加工編程方式都可以應(yīng)用。
3.2 加工方案
實(shí)際生產(chǎn)中采用奧美特GS1000/5-T五軸立式加工中心，可實(shí)現(xiàn)多工步集中，減少工裝夾具的使用。該設(shè)備為小龍門式結(jié)構(gòu)，工作臺(tái)為搖籃式。X、Y、Z為直線坐標(biāo)軸，A、C為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸，主軸最高轉(zhuǎn)速18000r/min，驅(qū)動(dòng)功率40kW。
根據(jù)被加工材料的性質(zhì)和具體加工需要，粗加工選用直徑16mm、總長(zhǎng)95mm、刃長(zhǎng)40mm、螺旋角為40°的三刃鋁用合金平底銑刀，ER32卡簧刀柄（JT40）夾持長(zhǎng)度≤40mm。
加工方案采用自定心卡盤裝夾，分為兩個(gè)工步完成全部加工內(nèi)容。每個(gè)工步劃分為3個(gè)加工階段：粗加工→二次粗加工（局部拐角清理）→精加工和孔加工。
3.3 加工過(guò)程
工步一：加工工件主體輪廓外形、圓形腔體和各處孔，最大加工深度57mm。
傳統(tǒng)“型腔銑”編程的粗加工刀路分析如圖2所示，主要以刀具的底刃進(jìn)行切削，采用“徑向大步距和軸向小切深”的方式進(jìn)行加工。刀具軌跡分布廣、路徑長(zhǎng)，軸向分層多，跳刀多。
a）刀具軌跡 b）3D動(dòng)態(tài)確認(rèn)
圖2 “型腔銑”刀路分析
新增“自適應(yīng)銑削”的粗加工刀路分析如圖3所示，充分利用銑刀側(cè)刃的長(zhǎng)度進(jìn)行切削，采用“徑向小步距和軸向大切深”的方式進(jìn)行加工。切削深度可達(dá)銑刀直徑的2倍左右，加工時(shí)主要以側(cè)刃進(jìn)行連續(xù)順銑切削，維持刀具進(jìn)刀方向一致，相對(duì)于底刃切削，加工穩(wěn)定性更高，刀具使用壽命更長(zhǎng)，并且切削可以不需要在軸向進(jìn)行多次分層，能夠?qū)崿F(xiàn)高速加工。
a）刀具軌跡 b）3D動(dòng)態(tài)確認(rèn)
圖3 “自適應(yīng)銑削”刀路分析
工步二：工件翻面，加工頂部的凸臺(tái)、坡面、型腔和各處孔。粗加工最大加工深度20mm，兩種粗加工編程模塊的刀具軌跡對(duì)比如圖4所示。
a）型腔銑 b）自適應(yīng)銑削
圖4 兩種粗加工編程模塊的刀具軌跡對(duì)比
通過(guò)對(duì)本工步的加工特征進(jìn)行分析，在兩切削層之間存在錐壁（坡面）?！靶颓汇姟本幊桃廊徊捎米陨隙路謱忧邢鞯募庸し椒?，以開放刀路、跟隨部件的切削模式完成粗加工，得到均勻的半精加工余量。而“自適應(yīng)銑削”編程可以根據(jù)工件被加工特征的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在切削參數(shù)對(duì)話框中，打開“自下而上切削”功能，通過(guò)指定向上步距，能夠在各切削層之間附加刀軌。附加的刀軌以較小的切削深度變化（由“向上步距”參數(shù)定義），從該層的底部至頂部重新切削錐壁，從而去除過(guò)多的加工余量，可以使留下的未切削余量最小、一致且分布均勻，這樣有利于在半精加工工序期間使切削刀具的性能保持穩(wěn)定。
“自適應(yīng)銑削”策略具體應(yīng)用在本工步的加工方法是：編程時(shí)，通過(guò)設(shè)置切削層參數(shù)和打開“自下而上切削”功能，直接下刀至加工深度（留精加工余量）切削出底平面，然后圍繞錐壁自下而上切削，完成凸臺(tái)坡面和上平面的粗加工。由刀路對(duì)比可以看到，粗加工后兩者雖然都得到了理想的加工余量，但應(yīng)用了“自適應(yīng)銑削”的加工方法，刀路更簡(jiǎn)潔，切削效率更高。
4 綜合效果
4.1 試驗(yàn)結(jié)果
在本實(shí)例中，“自適應(yīng)銑削”與“型腔銑”編程模塊在實(shí)際加工中所使用的切削參數(shù)和兩者的切削時(shí)長(zhǎng)匯總見(jiàn)表1。
表1 兩種編程模塊的切削參數(shù)和切削時(shí)長(zhǎng)
從切削參數(shù)看，粗加工切削參數(shù)優(yōu)化是以最高生產(chǎn)效率為目標(biāo)，以機(jī)床最大主功率等為約束。理想狀況下，用戶需要根據(jù)不同的加工階段來(lái)設(shè)定優(yōu)化參數(shù)，盡可能地保持恒定的最大主功率狀態(tài)，從而使單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量最大?！白赃m應(yīng)銑削”與“型腔銑”編程模塊由于加工理念的差異，切削參數(shù)的設(shè)定是有區(qū)別的。
從金屬去除率（Qmax）[3]看，通過(guò)金屬去除率公式Q＝apaevf/1000進(jìn)行計(jì)算，本例中，運(yùn)用“型腔銑”Qmax＝47.6cm3/min，而“自適應(yīng)銑削”Qmax＝153.6cm3/min。由此可知，單位時(shí)間內(nèi)的金屬去除率，“自適應(yīng)銑削”策略是“型腔銑”的3倍，理論上加工效率可大幅提高。從實(shí)際切削時(shí)長(zhǎng)看，“型腔銑”方式在兩個(gè)工步的粗加工階段總用時(shí)為33min，“自適應(yīng)銑削”方式的總用時(shí)為11min，單件粗加工時(shí)間縮短22min，生產(chǎn)效率大幅提高。
從刀具使用看，兩種加工方法各完成30件的加工任務(wù)后，使用“型腔銑”的刀具，在刀尖處出現(xiàn)較為明顯的鈍化，而運(yùn)用了“自適應(yīng)銑削”的刀具，其刃部依然保持足夠鋒利。相對(duì)于“型腔銑”，“自適應(yīng)銑削”方式因?yàn)榫哂懈玫那邢鞣€(wěn)定性，所以在刀具達(dá)到刃磨標(biāo)準(zhǔn)之前，能夠加工出更多的零件。
4.2 對(duì)比分析
零件加工實(shí)體如圖5所示。通過(guò)實(shí)踐并進(jìn)行對(duì)比分析可知，“自適應(yīng)銑削”和“型腔銑”這兩種數(shù)控粗加工策略對(duì)切削過(guò)程產(chǎn)生了不同的影響，總結(jié)如下。
a）加工中
b）加工后
圖5 零件加工實(shí)體
（1）型腔銑 ①由于背吃刀量（ap）小、側(cè)吃刀量（ae）大，刀具多以底刃切削，刀具前端的重復(fù)磨損嚴(yán)重，所產(chǎn)生的粒狀切屑吸收切削熱的能力相對(duì)有限，刀尖溫度高，易磨損。②由于側(cè)吃刀量（ae）大、平均切屑厚度（hm）不恒定，造成切削過(guò)程中的吃刀角度往往很大，刀具切入的材料量不均勻，會(huì)產(chǎn)生過(guò)量切削甚至“滿刀”現(xiàn)象，因此切削過(guò)程中的受力大且不穩(wěn)定，刀具負(fù)荷變化劇烈，會(huì)加快刀具和機(jī)床主軸的磨損，不適合高速切削。
（2）自適應(yīng)銑削 ①由于背吃刀量（ap）大、側(cè)吃刀量（ae）小，刀具切削刃長(zhǎng)得到更加充分的利用，大大減少了刀具前端的重復(fù)磨損，切削力更加均勻。高速流出的切屑既薄又長(zhǎng)，吸收并帶走了90%以上的切削熱，散熱效果好，能夠有效控制切削溫度，減小工件的變形，提高刀具的使用壽命。②側(cè)吃刀量（ae）小、平均切屑厚度（hm）恒定，同時(shí)維持刀具進(jìn)刀方向一致的特點(diǎn)，使自適應(yīng)銑削的加工過(guò)程非常平穩(wěn)，刀具在一定的切削深度，始終以順銑的方式，按照加工參數(shù)所設(shè)定的步進(jìn)量（行距）逐層剝銑，且在轉(zhuǎn)折處均有圓弧連接。③與型腔銑相比，自適應(yīng)切削過(guò)程中的吃刀角度通常很小，刀具切入的材料量始終均勻，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)量切削甚至“滿刀”的情況，刀具和機(jī)床的受力要小得多，更加適合高速切削；并且由于“自適應(yīng)銑削”策略具有較高的切削參數(shù)、較小的自由行程和較大的加工穩(wěn)定性，所以其金屬去除率（Qmax）更高。④根據(jù)“自適應(yīng)銑削”的加工特點(diǎn)，結(jié)合刀具材料、工件材料以及切削深度，通過(guò)合理設(shè)置步進(jìn)量（行距），使吃刀角度與需要加工的材料相適應(yīng)。自適應(yīng)銑削是高速銑削難加工材料的絕佳選擇，能夠顯著提高生產(chǎn)效率，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
綜上所述，NX 12.0.2新增的“自適應(yīng)銑削”加工策略，應(yīng)用在本實(shí)例的粗加工階段，是能夠同時(shí)提高加工穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率的一種優(yōu)秀的解決方案。
5 結(jié)束語(yǔ)
“型腔銑”是數(shù)控加工中應(yīng)用最為廣泛的加工策略，可用于大部分非直壁的島嶼和槽腔底面為平面或曲面的零件的粗加工，以及直壁或斜度不大的側(cè)壁精加工。而新增的“自適應(yīng)銑削”操作，則更適用于側(cè)壁切削余量變化比較大和具有較大加工深度的直壁島嶼，以及槽腔底面為平面的零件粗加工。
NX 12.0傳統(tǒng)的“型腔銑”操作具有全面性、全能性的特點(diǎn)，而NX 12.0.2新增的“自適應(yīng)銑削”操作，在針對(duì)特定加工條件的粗加工時(shí)，有了更多且更好的選擇，更像是對(duì)“型腔銑”操作的有力補(bǔ)充，能夠以最大加工可靠性滿足最高生產(chǎn)效率要求。實(shí)踐證明，在適合應(yīng)用“自適應(yīng)銑削”的條件下，選擇了正確的編程操作，能夠達(dá)到事半功倍的效果。在各型裝備的制造進(jìn)程中，“自適應(yīng)銑削”能夠應(yīng)用到非常廣泛的零部件數(shù)控加工之中，值得大力推廣。
專家點(diǎn)評(píng)
UG NX軟件傳統(tǒng)的“型腔銑”策略，是用于毛坯粗加工的經(jīng)典編程模塊，銑刀沿型腔深度方向以逐層切削的方式快速去除大部分余量，具有“小切深、大步距、刀路輕快”的特點(diǎn)。NX 12.0.2新增的“自適應(yīng)銑削”策略，適用于側(cè)壁切削余量變化較大的直壁島嶼以及槽腔底面，在針對(duì)特定條件的型腔粗加工時(shí)，有了更多的切削路徑選擇，刀路更加簡(jiǎn)潔。兩者結(jié)合，能夠達(dá)到事半功倍的效果。
文章普及面廣、應(yīng)用性強(qiáng)，集NX軟件編程與數(shù)控銑削加工為一體，突出“自適應(yīng)銑削”加工策略的側(cè)壁切削優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的“型腔銑”互相配合，能夠完成特定條件或特殊結(jié)構(gòu)的型腔加工，快速提高粗加工效率。
