基于UG軟件的圓柱凸輪槽數(shù)控加工

陳　明

（河南安彩高科股份有限公司，河南　安陽　455000）

基于UG軟件的圓柱凸輪槽數(shù)控加工

陳明

（河南安彩高科股份有限公司，河南安陽455000）

摘要：空間圓柱凸輪具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞扭矩大和轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，它在包裝、農(nóng)業(yè)機(jī)械、紡織、輕工、食品及制藥等自動(dòng)化機(jī)械中廣泛應(yīng)用。本文主要解決了通過UG軟件來實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪的復(fù)雜凸輪槽的加工，替代傳統(tǒng)的加工方法，提高凸輪的加工精度和效率。

關(guān)鍵詞：圓柱凸輪；數(shù)控加工；工藝；可變軸輪廓銑；四軸編程

凸輪機(jī)構(gòu)一般是由凸輪，從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。凸輪通常作連續(xù)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)件根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)使它獲得一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。凸輪機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，廣泛用于各種自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械裝置中，它分為平面凸輪機(jī)構(gòu)和空間凸輪機(jī)構(gòu)。其中，空間凸輪機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件凸輪的加工一直是機(jī)械加工的難點(diǎn)。凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，一般可分為盤形凸輪、移動(dòng)凸輪和圓柱凸輪三類。其中帶有槽體的圓柱凸輪是比較常見的一種空間凸輪，對(duì)其槽的加工常規(guī)方法采用分度頭銑削或靠模法加工，加工難度大，周期長(zhǎng)，加工精度低，對(duì)操作工人技術(shù)水平要求高且一致性差。隨著多軸加工的逐漸成熟和推廣開來，在圓柱凸輪槽加工上我們可以充分利用CAD/CAM軟件的強(qiáng)大功能來彌補(bǔ)常規(guī)方法的不足。本文我們以加工的外協(xié)件-圓柱凸輪槽為例來介紹如何在UG軟件中采用多軸加工的方法來實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪槽的加工。

1　加工工藝分析

圖1

圖1是筆者近來進(jìn)行外協(xié)編程的一用于包裝機(jī)械上的外協(xié)件，從上面二維圖上我們可以得知該圓柱凸輪槽是環(huán)繞在圓柱面上的等寬槽，槽寬25mm，槽深20mm，顯然，通過一般的XYZ三軸連動(dòng)是無法加工出來的，必須借助一個(gè)角度變化來控制槽在圓柱面的分布，那么只能考慮采用四軸編程加工來實(shí)現(xiàn)?？紤]到模具廠現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際狀況，普通的三軸數(shù)控銑床沒有配備數(shù)控分度頭只能三軸連動(dòng)，顯然無法實(shí)現(xiàn)該工件的加工，雖然具有五軸功能的高速FIDIA銑床從原理上可以實(shí)現(xiàn)，但由于該工件的加工量較大為20mm，所以也不適合在其上加工。最終安排在帶有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的國產(chǎn)臥式加工中心上進(jìn)行，它可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)360度從而可以滿足此次加工要求。

2　模型的建立

要想實(shí)現(xiàn)程序的輸出首先必須先構(gòu)建出加工模型，圓柱凸輪槽分布于圓柱面上，圓柱凸輪槽的底部在每一個(gè)截面上都是等深的，且槽寬不是很大，所以我們需要構(gòu)造出槽底的中心線進(jìn)行加工。在UG軟件中，我們主要借助于Wrap/UnWrap，project功能通過纏繞法來實(shí)現(xiàn)圓柱凸輪槽中心線的空間建模，具體過程如下：

（1）根據(jù)圓柱凸輪槽的二維展開圖，首先在XOZ平面內(nèi)中做出由多段圓弧和直線組成的二維曲線L1，L2，L3。

（2）創(chuàng)建D120*H110的圓柱實(shí)體CYLIND1，并創(chuàng)建與圓柱面相切的基準(zhǔn)平面DATUM1。

（3）創(chuàng)建曲線L1，L2，L3到DATUM1的投影曲線批p1，p2，p3，如圖3示。

（4）在UG中執(zhí)行如下操作Isert|Curve Operation|Wrap/Uwrap彈出如圖2所示的對(duì)話框，其中Wrap face選擇圓柱面，Work plane選擇DATUM1，curves to wrap選擇批p1，p2，p3，即可得到纏繞后的圓柱凸輪槽的空間曲線wp1，wp2，wp3，如圖3所示。

圖2

圖3

需要注意的是第3步創(chuàng)建投影曲線很關(guān)鍵，必須先投影到基準(zhǔn)平面DATUM1上，否則無法進(jìn)行纏繞。

（5）創(chuàng)建與圓柱體CYLIND1同心的輔助圓柱實(shí)體CYLIND2，其尺寸為D80*H110，將第4步中的纏繞線wp1，wp2，wp3再投影到輔助圓柱實(shí)體上，進(jìn)行投影的具體參數(shù)設(shè)置如圖4，得到圖5的槽底曲線p1’，p2’，p3’。

圖4

圖5

需要注意的時(shí)，投影時(shí)被投影曲線可以同時(shí)選擇圖3中的wp1，wp2，wp3三條線，投影面選擇輔助圓柱實(shí)體的外表面，copy method必須選擇associate，否則投影出錯(cuò)，Direction Method選擇Toward a line選中圖5中的輔助圓柱實(shí)體的軸心線。（為了顯示效果需要，圖5中隱去了圓柱體CYLIND1及其纏繞線wp1，wp2，wp3）

（6）將wp1和p1’，wp3和p3’分別采用Free Form Feature|Ruled形成槽兩個(gè)側(cè)壁面S1和S2，利用wp1和wp3對(duì)圓柱體CYLIND1外表面進(jìn)行TRIM得到局部曲面S3，利用p1’；和p3’對(duì)輔助圓柱體CYLIND2外表面進(jìn)行TRIM得到局部曲面S4，將S1，S2，S3，S4四個(gè)曲面縫合（Sew）成閉合實(shí)體如圖6所示，最后用圓柱體CYLIND 1和該實(shí)體進(jìn)行相減（SubStract）即可得到最終實(shí)體如圖7。

圖6

圖7

3　編程策略

（1）編程參數(shù)設(shè)置。對(duì)零件造型完成后，選擇UG可變軸輪廓銑（Variable Contour）這一加工模塊，進(jìn)入多坐標(biāo)編程環(huán)境，然后確認(rèn)機(jī)床坐標(biāo)系和建模坐標(biāo)系是否一致，如不一致則需要改變，在這里我們需要沿著X軸旋轉(zhuǎn)90°來吻合我們的機(jī)床坐標(biāo)系，刀具選擇平底圓柱立銑刀D25R0。UG提供了多種驅(qū)動(dòng)方式，這里選擇Curve/Point驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)幾何體則選擇纏繞投影后的凸輪槽底的空間曲線p2’，精度設(shè)為0.05，投影矢量設(shè)為Toward Line，選擇圖5中的輔助圓柱實(shí)體的軸心線，TOOL Axis選擇4 Axis Normal to Part確保刀軸始終法向于圓柱面。

（2）仿真校驗(yàn)。加工軌跡生成后，利用刀位編輯、軌跡的連接和打斷編輯以及參數(shù)修改等功能，對(duì)相關(guān)軌跡進(jìn)行編輯和修改。運(yùn)用軌跡仿真功能，即可屏幕模擬實(shí)際切削過程，顯示材料去除過程和進(jìn)行刀具干涉檢查，檢驗(yàn)生成的刀具軌跡是否滿足要求，查看切削后的工件截面，確保不會(huì)出現(xiàn)過切。

（3）后置處理。UG走刀并產(chǎn)生的刀具軌跡（CLS文件），并不能直接用來加工模具，還必須對(duì)CLS文件進(jìn)行后置處理方可生成數(shù)控加工程序—NC代碼。針對(duì)不同數(shù)控系統(tǒng)制作后處理程序（MDFA文件）是CAD/CAM應(yīng)用中的一項(xiàng)重要工作，它直接影響著從CLS-＞NC代碼轉(zhuǎn)換的正確性。在仿真校驗(yàn)無誤的情況下，針對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的不同，需要針對(duì)性地進(jìn)行后置設(shè)置，UG軟件中提供了常見控制系統(tǒng)的后置處理設(shè)置，由于國產(chǎn)臥式加工中心采用的是Fanuc控制系統(tǒng)，我們利用UG軟件的PostBuilder模塊配置了該控制系統(tǒng)專用的四坐標(biāo)后置處理程序。

4　實(shí)施數(shù)控加工

由于圓柱凸輪槽寬度不大，所以制定的加工策略是采用相應(yīng)直徑的立銑刀沿著程序中控制的槽腔中心線進(jìn)行加工。由于所給工件毛坯是一個(gè)實(shí)心的圓柱體，首先要進(jìn)行開槽加工出進(jìn)刀孔，然后選用直徑小于槽寬的平底圓柱立銑刀粗加工、半精加工，最后選用直徑＝槽寬的平底圓柱立銑刀進(jìn)行精加工。

5　結(jié)束語

在編程中我們采用了曲線纏繞法實(shí)現(xiàn)了圓柱凸輪槽的造型，這也是首次嘗試這一功能，費(fèi)了些周折，并選擇配置的四坐標(biāo)后置處理程序進(jìn)行程序輸出，獲得了令人滿意的刀具軌跡，加工后顯示一切正常，經(jīng)外協(xié)單位首件確認(rèn)完全符合要求，大大提高了其凸輪加工的效率和精度。今后我們將利用UG軟件的強(qiáng)大功能在多軸加工方面大力挖潛，拓展模具廠的業(yè)務(wù)，提升我們的加工能力。

參考文獻(xiàn)：

［1]唐榮錫.CAD/CAM技術(shù)［M].北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

［2]卓迪仕.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用［M].北京：國防工業(yè)出版社，1997.

［3]蘇紅衛(wèi).UG銑削制造過程培訓(xùn)教程［M].清華大學(xué)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：陳明（1979—），男，本科，河南周口人，學(xué)士，主要從事工廠機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。