多邊形凹球面體的三維造型與五軸數(shù)控加工

石從繼，亓劍

(華中科技大學武昌分校機電與自動化學院，湖北武漢430064)

隨著人類生活水平的提高，對產(chǎn)品多樣化的要求日益強烈，產(chǎn)品的復雜多樣性日益突出，當前CAD/CAM技術(shù)在機械設(shè)計與制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。UGS(Unigraphics Solutions)是全球發(fā)展最快的機械CAX(即CAD、CAE、CAM等的總稱)公司之一，其產(chǎn)品UG軟件是當前世界上最先進和最緊密集成的、面向制造業(yè)的CAX高端軟件，它融合了線框模型、實體造型和曲面造型等技術(shù)，提供了多種類型的加工方法，可用于各種表面形狀零件的粗加工、半精加工和精加工［1-3］。以 UG軟件為工具，對多邊形凹球面體零件進行造型設(shè)計、五軸數(shù)控編程和仿真加工研究。

1 零件分析

多邊形凹球面體的二維CAD及效果圖見圖1。

零件上所有的點都在一個直徑120 mm的半球面上，頂端是在半球上截斷得到的一個圓平面，底部是半球直徑處開始的兩個圓形臺階，臺階處圓角為2 mm，高度都是7 mm，零件總高度是59．65 mm。零件四周最頂端與圓平面連接處由五邊形圍成，底部臺階連接處由四邊形圍成，其余均為空間六邊形構(gòu)成封閉半球體，在每一個多邊形中由一個內(nèi)凹3 mm的曲面填充。

圖1 多邊形凹球面體的二維CAD及效果圖

2 造型設(shè)計

UGNX是目前應(yīng)用較為廣泛的CAD/CAM三維參數(shù)化軟件，其CAD三維建模造型和CAM數(shù)控加工制造模塊功能極強，所以作者采用UG NX 6．0進行多邊形凹球面體的造型和數(shù)控加工設(shè)計［4-6］。

2．1 構(gòu)建半球基體

利用UG軟件的“特征”工具，首先構(gòu)建一個直徑120 mm的半球，按設(shè)計要求，在半球球面上，繪制不同高度的平行于底面的基準平面，如圖2所示，單擊“特征”工具欄中的“相交曲線”按鈕，創(chuàng)建基準平面與半球面的相交線，即半球面的緯線，最后對半球頂部進行修剪。

圖2 半球面緯線

2．2 構(gòu)建半球表面線段

對半球面的緯線進行分割，最頂部的緯線分割為9段，其他緯線都分割為18段，注意不同高度的緯線分割起點角度相差10°，用直線將各個分割點進行相連，如圖3所示。圓形陣列旋轉(zhuǎn)復制相連的直線段，隱藏不需要的緯線，效果如圖4所示。

圖3 等分割緯線

圖4 半球面表面線段

2．3 構(gòu)建內(nèi)凹曲面

首先構(gòu)建弧面控制曲線，在六邊形的兩平行邊的中點連接一直線，再繪制一條過該直線中心的指向球內(nèi)部的長度為3 mm直線段，以三點畫圓弧的方式畫出弧面控制曲線，如圖5所示。選擇“插入”→“網(wǎng)格曲面”→“N邊曲面”命令，“外部環(huán)”順時針選擇六邊形的6條邊，“內(nèi)部曲線”選擇弧面控制曲線，構(gòu)建一個內(nèi)凹曲面，將其進行旋轉(zhuǎn)復制，如圖6所示。以同樣的方法構(gòu)建每一層的內(nèi)凹曲面，最后進行陣列旋轉(zhuǎn)復制，最終效果如圖7所示。

圖5 弧面控制曲線

圖7 內(nèi)凹曲面整體效果圖

圖8 多邊形凹球面體整體效果圖

2．4 構(gòu)建底座

利用UG軟件的“特征”工具拉伸命令，繪制球面體底部的兩個高度為7 mm的底座，進行求和和倒圓角后，多邊形凹球面體的造型設(shè)計就完成了，效果如圖8所示。

3 數(shù)控加工編程設(shè)計

在UG NX6中，多軸加工主要是指可變軸曲面輪廓銑和順序銑，其刀具軌跡主要通過控制刀具軸矢量、投影方向和驅(qū)動方法來生成，多軸加工主要用于半精加工或精加工曲面輪廓銑削，其加工區(qū)域由選擇的表面輪廓組成，并且提供了多種驅(qū)動方法和走刀方式。

多邊形凹球面體毛坯是一個直徑為122 mm的半球體，底部已加工。由于它具有表面復雜、加工區(qū)域多、內(nèi)凹圓弧面等特點，因此采用UG五軸進行半精加工和精加工。除了X、Y、Z三軸外，增加B、C兩個旋轉(zhuǎn)軸，即刀具可以繞Y軸旋轉(zhuǎn)以加工單個內(nèi)凹圓弧面，同時工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)，以加工多個內(nèi)凹圓弧面。加工坐標系設(shè)置在底座中心，以底座平面為基準裝夾在旋轉(zhuǎn)工作臺上，各工步的內(nèi)容、加工方式、刀具、進給、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)如表1所示。

表1 多邊形凹球面體加工工步

圖9 可變軸曲面輪廓銑刀路軌跡

可變軸曲面輪廓銑在加工過程中要設(shè)置刀軸的軸線方向始終指向內(nèi)凹圓弧面的法向，采用邊界驅(qū)動，驅(qū)動方法采用表面積驅(qū)動方法，指定切削區(qū)域選擇球體的內(nèi)凹部分，刀具路徑如圖9所示［7］。

4 仿真加工

對加工程序的運行進行圖形仿真，以檢驗加工程序的正確性，仿真模擬包括兩部分:前置仿真 (刀軌可視化)和后置仿真 (機床仿真)。前置仿真主要播放刀具軌跡和模擬切削毛坯;后置仿真主要是仿真機床的切削過程。利用UG系統(tǒng)自帶的五軸機床模型，仿真加工效果如圖10所示［8］。

圖10 仿真機床切削過程

5 結(jié)束語

借助UG NX6的CAD/CAM功能，研究了多邊形凹球面體的三維造型設(shè)計和五軸數(shù)控加工編程過程，通過合理選擇刀具和機床，并針對多邊形凹球面體的幾何特征確定了刀軸的控制方式和刀具軌跡驅(qū)動方法，最后利用UG的機床模擬仿真功能進行了仿真加工驗證。通過采用CAD/CAM技術(shù)，為復雜零件的設(shè)計、制造開辟了新的有效的途徑。

【1】韓式國，趙軍，陳曉曉，等．數(shù)控編程技術(shù)及其典型應(yīng)用研究［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2012(3):100-103．

【2】趙中華．基于UG平臺的葉輪五軸數(shù)控編程［J］．上海工程技術(shù)大學學報，2009(3):9-12．

【3】馬武，李映平，楊錦斌．淺析五軸加工中心數(shù)控編程技巧［J］．制造技術(shù)與機床，2009(2):165-167．

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【5】陳德存．基于UG NX6．0的整體葉輪的多軸加工技術(shù)［J］．成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2010(1):54-57．

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【7】查韜，田偉，賈東永．從學習到實踐UG NX6數(shù)控加工［M］．北京:清華大學出版社，2009．

【8】王衛(wèi)兵．UGNX數(shù)控編程實用教程［M］．北京:清華大學出版社，2005．