五轴加工工艺与优化

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1前言

五坐标机床功能强大、加工效率高、质量好,在复杂曲面数控加工领域,具有独到之处.CAD/CAM建模、仿真加工以后，分析工艺、碰撞、过切、欠切等问题.图1为基于UG和VERICUT的五轴加工设计、仿真与优化的流程图.

2零件三维

CAD模型参考设计图纸，分析零件及曲面详细尺寸，计算节点数据，绘制曲线、曲面，构造零件CAD模型如图2.

3零件UGCAM设计

3.1确定复杂曲面零件加工工艺方案根据零件的CAD模型，分析曲面形状，尺寸特点，采用粗加工、半精加工和精加工加工方案，结合UGNX10.0提供的CAM工序类型确定该零件的工艺方案如表1所示.3.2规划刀具路径UGNX10.0的CAM主要包括创建刀具、设置机床坐标系、工序设计（如图3）等，其中工序设计是一项较为严谨的工作.利用“可变流线铣（VARIABLE_STREAMLINE）”方法精加工槽侧面时，需要设置的参数较多，如“刀轴”参数的“轴”设置为“相对于驱动体”，“前倾角”设置为“0”，“侧倾角”设置为“-67”.图4机床组件树工序内容UGCAM加工类型刀具粗加工外形型腔铣(CAVITY_MILL)平底立铣刀D12半精加工剩余剩余铣(REST_MILLING)平底立铣刀D6精加工槽一侧可变流线铣(VARIABLE_STREAMLINE)球头立铣刀R2精加工槽底固定轮廓铣(FIXED_CONTOUR)球头立铣刀R2精加工槽另一侧可变流线铣(VARIABLE_STREAMLINE)球头立铣刀R2表1加工工艺方案3.3后置处理刀位文件不能直接被数控机床识别，须经过后处理转化为指定数控系统的程序，才能在相应机床上运行，完成加工任务.现生产单位拥有DMU60t机床若干台，配备HeidenhainiTNC530控制系统，结合生产现状，UGNX10.0后处理文件须满足该五轴机床一摆头（B轴）、一摆台（C轴）结构和海德汉控制系统的要求.将与机床结构及系统相适应的后处理文件B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl和B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def拷贝至UGNX10.0后处理文件目录“\NX8.5\MACH\resource\postprocessor”中，使用记事本打开该目录中的template_post.dat文件，在文件的最后添加一行内容：“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530,${UGI-I_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_IT-NC530_POST.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def”，然后保存该文件，完成对后置处理的修改.这样，在UGNX10.0软件中就加了一个名字为“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530”后处理器.

4VERICUT仿真

4.1选择数控系统VERICUT仿真时使用的数控系统要与生产单位机床系统相一致，软件VERICUT7.2.3默认数控系统为fan30im，须修改为软件库中hei530数控系统.4.2建立机床模型按照运动模块构建机床的外形模型时，不需要考虑机床主轴等部件的内部传动机构，同时将不产生运动的部件和底座简化为机床本体进行整体建模[4].DMU60t机床有两大传功链，他们分别是主运动传动链和进给传动链.主轴带着刀具绕着B轴旋转，并且与Y向运动组件相连，Y向运动组件又和X向组件相连，形成主运动传动链.毛坯装夹在C向转动组件上，该组件和Z向运动组件相连，共同构成毛坯进给传动链.在组件树ComponentTree依次定义机床部件，添加顺序为Base→X→Y→B→Spindle，Tool→Base→Z→C，从而得到机床组件树如图4所示.创建过程中，根据机床实际参数设置X、Y、Z、B和C轴的快速移动速度、最大进给速度等参数.4.3添加机床几何模型分别选择对应组件中的模型节点，在“添加模型”选项中选择“模型文件”，依次添加机床模型文件.在“JAWS（即夹具）”节点之下添加“Stock（即毛坯）”“Design（即设计）”节点及它们的几何模型，如图4所示.4.4机床参数设定恰当的机床参数对VERICUT仿真至关重要.选择“配置”“机床设定”菜单命令，依次设置机床的碰撞检测、机床零点、行程极限、轴优先等参数[1-3].除了以上参数外，还要对B、C轴旋转运动进行设置，选“配置”“控制设定”菜单命令，设置B、C轴旋转台型为“EIA（360绝对）”.4.5其他准备工作坐标系统和程序零点的设置.对于坐标系统，设置“附坐标系”到“Stock（工件）”；对于程序零点，子系统1程序零点，“偏置名”设置为“程序零点”，同时选择从“B”“组件”到“Csys1”“坐标原点”定位.创建加工刀具.根据表1的工艺方案，创建4把刀具，其中3把直径分别为16、12和6毫米的平底立铣刀，1把直径为4毫米的球头立铣刀.UG后处理生成程序及VERICUT添加程序.在UGNX10.0中分别对六个工步（见图3）进行后处理，选择前文设定的后置处理器B_HEAD_C_TABLE_ITNC530，输出NC程序.在VERICUT7.2.3中，选择“数控程序”节点“添加数控程序文件”载入NC程序.4.6仿真加工准备工作完成后即可启动VERICUT仿真加工，该零件仿真加工效果如图5所示，由图可见，在槽的上边缘存在较为严重的过切现象，而此处在UG仿真加工时是不存在过切的，原因是VERI-CUT仿真引入机床、刀具及工装系统，更加贴近现实.设置过切、欠切公差均为0.01mm，并用颜色加以区分，颜色较深的位置表示过切或欠切，利用软件将仿真加工结果与原设计模型进行分析比较，得到图6（a）,由图可见，工件不仅存在过切现象，在曲面曲率较大位置还存在较为明显的欠切问题，故零件不合格.合格零件必须满足设计要求，过切和欠切均会影响零件的外观或使用功能.由图1可知，若零件仿真加工不合格，须对零件CAD造型或CAM设计等不妥当的部分进行优化设计.仔细分析VERI-CUT仿真过程后发现，过切出现在“剩余铣（REST_MILLING）”工步，在UGCAM设计中选用“型腔铣（CAVITY_MILL）”代替“剩余铣”，同时须设计“型腔铣”“切削参数”，将“参考刀具”选择为“D12”平底立铣刀，即可利用型腔铣方法实现剩余料的半精加工.零件欠切也是不允许的，分析欠切的位置可知，大部分的欠切与槽侧精加工“可变流线铣”工步有关，修改该工步的“刀轴”参数，将“侧倾角”由“-67”修改为“-60”.重新后处理生成程序，在VERI-CUT中添加相应程序进行仿真加工，由仿真效果图可见，过切情况已不存在.设置过切、欠切公差为0.01mm让仿真结果与设计模型进行自动比较，分析结果如图6（b）所示.对比图6的a和b，进行CAM优化设计后，基本消除了过切和欠切现象，仿真结果能够满足要求.

5结语

借助UG和VERICUT实现复杂曲面的CAD建模、CAM设计、加工仿真和工艺优化.在虚拟环境中，实现机床的加工过程，校验了加工程序的准确性，避免了碰撞、干涉等现象，减少了过切、欠切等问题，采用虚拟制造技术，优化了生产工艺，降低了生产成本，对五轴机床加工有着十分重要的现实意义.

参考文献：

〔1〕陈文涛,夏芳臣,涂海宁.基于UG&VERICUT整体式叶轮五轴数控加工与仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2012（2）.

〔2〕李芳,刘凯,王昊,等.基于VERICUT的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2013（2）.

〔3〕燕杰春.基于UG和Vericut软件平台的多轴数控加工编程与仿真加工研究[J].制造业自动化,2012,34(2).

〔4〕占刚,赵麒.基于UG与VERICUT虚拟数控加工仿真技术研究[J].热处理技术与装备,2012,33(6).

作者:范仁杰 余道阳 单位:1.铜陵职业技术学院 2.合肥工业大学