基于UG的噴注器冷卻通道的機(jī)床仿真加工

劉 英，董文英

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，西安710100）

0 引言

隨著制造技術(shù)逐漸向集成化、智能化方向發(fā)展，越來越多的復(fù)雜零件采用模擬仿真方法加工，這種方法可以消除常規(guī)編程程序中的錯(cuò)誤，如切傷工件、損壞夾具、折斷刀具或碰撞機(jī)床；可以減少工件的加工時(shí)間，減少實(shí)際的切削驗(yàn)證次數(shù)和數(shù)量；大幅度提高加工效率，改善加工品質(zhì)并降低生產(chǎn)成本。

UG/ISV（unigraphics/integrated simulation and verification)模塊是個(gè)功能強(qiáng)大的集成仿真驗(yàn)證專用模塊，它能真實(shí)模擬切削過程中的機(jī)床運(yùn)動，這使機(jī)床NC編程更加安全、高效，提高了適應(yīng)性。由于ISV能真實(shí)表現(xiàn)出機(jī)床行為，這樣在刀軌運(yùn)行時(shí)就能發(fā)現(xiàn)機(jī)床刀具在加工過程中可能出現(xiàn)的任何情況。此外，仿真能檢查在機(jī)床、夾具、刀具和零件間的干涉情況。它可建立與實(shí)際生產(chǎn)加工中數(shù)控機(jī)床完全一致的精確運(yùn)動模型，使模擬仿真結(jié)果完全符合實(shí)際情況，改進(jìn)加工品質(zhì)，降低成本。

1 噴注器冷卻通道結(jié)構(gòu)分析

噴注器冷卻通道的結(jié)構(gòu)如圖1所示，冷卻通道的寬度和高度，影響其冷卻效果，進(jìn)而影響該噴注器的工作溫度，最終影響發(fā)動機(jī)的正常工作。該噴注器殼體毛坯材料為TC4，要加工的冷卻通道為圓周分度為30°的12個(gè)槽面，其槽筋分為兩種：一種是圖1放大圖I所示的兩個(gè)寬度為13 mm的筋，另外一種為圖1所示圓周分度為30°的10個(gè)寬度為5 mm的筋。要加工的槽面均與底邊成75°，且為直角邊面。在要加工的槽子的底端均有環(huán)形槽 。該噴注器殼體為焊接件，其中在底端有三個(gè)非均布的接管嘴，對加工的刀軸的位置均有一定的影響。

2 機(jī)床仿真加工過程

2.1 加工過程

使用機(jī)床仿真加工這12個(gè)槽面，主要流程如下：型面粗加工→型面精加工→多路清根加工→重復(fù)多路清根加工（小直徑銑刀）→去臺加工→單路清直角加工→去臺加工（小直徑銑刀）→單路清直角加工（小直徑銑刀）。型面粗加工是對型面余量的去除，加工出型面的大致形狀，留給精加工的余量為0.3 mm。精加工按照粗加工的路線，過程和粗加工類似，設(shè)置精加工余量為0，取較小的行距，并對公差的設(shè)置值減小，提高加工精度。經(jīng)過上面兩道工序的加工，型面基本形狀已經(jīng)加工完成，還需要加工側(cè)壁、底部的內(nèi)端面，由于其內(nèi)端面是直角面，所以要用端銑刀進(jìn)行側(cè)銑加工并且直角面的加工要采用大小不同直徑的刀具混合加工，以達(dá)到要求的直角面。因?yàn)樾兔婢庸び们蜚姷都庸?，清根操作使用端銑刀加工，會在加工的連接處留下接刀臺，要提高加工質(zhì)量必須在兩個(gè)連接處加上去臺加工。

2.2 加工數(shù)控編程

數(shù)控加工編程是復(fù)雜零件數(shù)控加工中最重要的內(nèi)容，它主要包括：對零件進(jìn)行三維造型；選定數(shù)控機(jī)床、刀具和加工工藝方案；進(jìn)行刀位計(jì)算并生成刀具運(yùn)動軌跡；對刀具運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真、校驗(yàn)和編輯并生成刀位文件；根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的機(jī)床；最后通過后置處理程序?qū)⒌段晃募D(zhuǎn)換成為數(shù)控機(jī)床可讀的NC代碼。采用UG系統(tǒng)來進(jìn)行葉片的輔助加工，其數(shù)控加工編程一般可由下列步驟來完成。

2.2.1 噴注器三維模型的建立

根據(jù)加工的圖紙和工序要求，建立要加工的零件的三維模型。同時(shí)根據(jù)情況，對零件的夾具和安全平面等做輔助的實(shí)體造型。造型完成后，根據(jù)加工的實(shí)際要求，采用曲面造型命令，抽取要加工的曲面（蒙皮法）。依據(jù)加工需要，對曲面進(jìn)行延伸，以備曲面能夠加工到位，同時(shí)也可以保證加工過程中刀具和零件的安全。

2.2.2 刀具選擇和刀具庫的建立

加工該零件冷卻通道的整個(gè)加工過程要用到3種類型的刀具：球銑刀 (粗加工用)、帶角度的圓柱銑刀 (半精加工和精加工用)和端銑刀(清根用)。在 UG/Manufacturing模塊中建立用戶自己的刀具庫（包括上述的各種刀具）,根據(jù)工序和工步的不同選用不同的刀具。圖2為選用的刀具參數(shù)的設(shè)置。

2.2.3 加工方式的選擇

噴注器冷卻通道的加工必須在 UG/CAM中為每個(gè)工序選擇合適的加工方式,其中粗加工和精加工的加工方式相同，不同的是加工余量。刀軸是采用固定軸加工，加工過程中垂直曲面。清根操作是曲面驅(qū)動方法，投影矢量垂直驅(qū)動體。去臺操作同樣是曲面的加工，刀軸垂直于噴注器的殼體曲面。圖3所示為加工方法設(shè)置對話框。

2.2.4 刀具軌跡的生成

在UG/CAM中,如表1所示選擇合適的加工方式、加工對象、刀具選用參數(shù)等之后,再設(shè)置好切削行距、步長、表面允差、進(jìn)給率等加工參數(shù)即可執(zhí)行[Generate]命令生成刀具加工軌跡。

表1 選用刀具清單及加工程序Tab.1 Tool selection list and corresponding machining programs

2.2.5加工過程仿真

為了驗(yàn)證噴注器冷卻通道加工的上述參數(shù)選用的合理性，預(yù)先判斷加工過程中可能出現(xiàn)的問題，必須進(jìn)行仿真模擬。由于噴注器為焊接件，要考慮噴注器三個(gè)焊接接管嘴與刀具的干涉情況；主要檢查機(jī)床運(yùn)動模型（DMG80）、刀具運(yùn)動模型以及工件運(yùn)動模型之間的干涉情況；進(jìn)一步檢查設(shè)置的加工參數(shù)是否在直角之間會出現(xiàn)過切現(xiàn)象。UG/CAM中集成了加工仿真的功能,可以對生成的刀具軌跡進(jìn)行加工仿真,動態(tài)的模擬刀具切除材料的加工過程,并且可以儲存加工仿真后的毛坯留待下一道工序使用。在UG環(huán)境下,通過加工仿真對刀具軌跡進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。圖4是仿真后粗加工刀具路徑。

2.2.6 干涉檢查

在UG/ISV中，在生成刀路軌跡和刀位源文件（CLSF）后，不但可以轉(zhuǎn)化為機(jī)床運(yùn)動部件之間的運(yùn)動和復(fù)雜零件的加工過程，同時(shí)可以通過設(shè)置對各個(gè)運(yùn)動部件和要加工的零件及要加工零件的某一個(gè)特征進(jìn)行干涉檢查。在仿真運(yùn)動過程中，出現(xiàn)干涉時(shí)，會以高亮顏色顯示干涉（過切）的區(qū)域，并在出現(xiàn)過切時(shí)通過選取干涉時(shí)停止，可以詳細(xì)查出干涉部位，以便對路徑或程序進(jìn)行修改。在該冷卻通道的加工過程中，干涉體選取了三個(gè)焊接接管嘴、上頂蓋、刀具、刀軸，檢查這幾個(gè)部件之間的干涉情況。在機(jī)床仿真運(yùn)動中，選取的干涉體沒有出現(xiàn)碰撞干涉的情況。

2.2.7 刀位文件的生成

經(jīng)過對冷卻通道加工過程的仿真模擬，并在UG/CAM中生成了刀具軌跡并進(jìn)行了加工仿真和干涉校驗(yàn)后，可以將加工數(shù)據(jù)和信息輸出成為刀位源文件 (CLSF)。刀位源文件 (CLSF)主要包括刀具信息、加工坐標(biāo)系信息、刀具位置和姿態(tài)信息以及各種加工輔助命令信息等。

2.2.8 機(jī)床的選用及后處理

上述生成的CLSF文件還需要經(jīng)過后置處理器,轉(zhuǎn)換成車間現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床能夠識別的機(jī)床代碼。機(jī)床的控制器不同，所使用的NC程序的格式就不一樣，因此，操作中的刀軌必須經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成特定機(jī)床控制器能夠接受的特定格式的NC程序。因?yàn)樵谠摷庸み^程中需用四軸聯(lián)動，根據(jù)車間的實(shí)際情況，因此選用了五軸機(jī)床（DMG80）。如圖5所示，此后置處理器是在UG/POST的基礎(chǔ)上開發(fā)的UG環(huán)境下機(jī)床的專用后置處理器。然后對刀具路徑進(jìn)行正確轉(zhuǎn)換，從而生成數(shù)控加工程序，如圖6所示。

3 結(jié)論

噴注器冷卻通道加工實(shí)驗(yàn)證明,結(jié)合UG進(jìn)行數(shù)控機(jī)床仿真的輔助加工,進(jìn)行三維造型、刀具軌跡編程和加工仿真,使復(fù)雜型面的加工編程基于CAD/CAM環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程信息模型的無縫連接,大大減小了編程出錯(cuò)概率,提高了編程效率和可靠性,可有效地保證數(shù)控加工的質(zhì)量，并且使加工效率提高了400%。

[1]黃宜松,謝龍漢,王磊.數(shù)控加工入門與實(shí)例進(jìn)階[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2]毛德君.UG基于實(shí)體的模具數(shù)控加工策略及應(yīng)用[J].模具制造技術(shù),2005(9):43-46.

[3]謝國明,曾向陽,王學(xué)平.UG CAM實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]衛(wèi)兵工作室.UGNX正文版數(shù)控編程入門與實(shí)例進(jìn)階[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[5]黃宜松,謝龍漢,王磊.數(shù)控加工入門與實(shí)例進(jìn)階[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[6]毛德君.UG基于實(shí)體的模具數(shù)控加工策略及應(yīng)用[J].模具制造技術(shù),2005(9):43-46.

[7]范希營,郭永環(huán).基于UG/NX/CAM的復(fù)雜型腔的實(shí)體造型及銑削加工[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(10):150-151.

[8]李春麗,鄧化宇.數(shù)控多面加工仿真關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009（8）:116-117.

[9]沈春龍,張友良.基于三維虛擬環(huán)境的數(shù)控加工中心建模與仿真[J].機(jī)床與液壓,2003(5):63-65.

[10]周濟(jì),周艷紅.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2002.

[11]王慶林.UG銑制造過程使用指導(dǎo)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[12]李軍鋒,李劍,席平.數(shù)控機(jī)床加工仿真應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2003,20(4):28-34.