基于UG和Vericut復(fù)雜曲面零件設(shè)計(jì)與加工

田美霞+楊英

摘 要：為了有效提高復(fù)雜曲面零件的加工質(zhì)量和加工效率，該文首先分析復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工的難點(diǎn)，接著以QQ公仔模型為例，論述了UG和Vericut軟件在數(shù)控加工中應(yīng)用過程，包括曲面造型、工藝安排、仿真加工、實(shí)體切削驗(yàn)證，結(jié)合3軸聯(lián)動FANUC數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的數(shù)控加工。通過實(shí)踐表明，該方法提高了復(fù)雜表面零件表面加工質(zhì)量，能縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造時間，提高了生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：自動編程 復(fù)雜曲面 數(shù)控加工

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0109-02

我國是制造業(yè)集中地，正面臨著由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念、方法、工具，做出有競爭力的產(chǎn)品非常重要。這些產(chǎn)品表面往往由復(fù)雜曲面構(gòu)成，幾何造型復(fù)雜，不可能用手工編程來實(shí)現(xiàn)。CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用，能有效解決這些問題，幫助制造企業(yè)提高生產(chǎn)效率和競爭力。

復(fù)雜曲面零件的數(shù)控加工主要包括以下3個方面的內(nèi)容：曲面造型、自動編程、數(shù)控機(jī)床加工。UG軟件是一款先進(jìn)和緊密集成的、面向制造業(yè)的CAD/CAE/CAM高端軟件，UG有強(qiáng)大的實(shí)體造型功能和快捷高效的自動編程優(yōu)勢，使產(chǎn)品開發(fā)從設(shè)計(jì)到加工實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成，優(yōu)化企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。VERICUT軟件不僅能夠?qū)C程序進(jìn)行仿真、驗(yàn)證、分析及優(yōu)化，而且能夠?qū)C(jī)床進(jìn)行仿真，可以大大提高零件的加工效率和機(jī)床的利用率。

1 復(fù)雜曲面零件加工難點(diǎn)分析

（1）模型表面光潔度的處理。要提高零件表面的精度和光潔度，模型的表面必須是幾何曲面，幾何曲面的精度是很高的，如果是網(wǎng)格曲面，可以使用曲面優(yōu)化提高曲面精度。為提高零件表面光潔度，還需考慮精加工刀具路徑采用的刀具、精加工刀具路徑行距、精加工的吃刀量。一般曲面零件的精加工刀具路徑采用球形銑刀生成，球形銑刀刀具直徑選用不宜過大，采用直徑較小的球頭刀較為合理。精加工刀具路徑行距分布應(yīng)均勻、整齊，在保證加工效率前提下，盡可能縮小行距，使得曲面零件陡峭部分行距不稀疏。精加工的吃刀量的多少和被加工材料的加工硬化性有關(guān)，要設(shè)置合理的吃刀量，才能加工出較好的表面光潔度。

（2）挖槽銑削的下刀方式的選擇。復(fù)雜表面零件表面加工往往需要挖“槽”銑削，挖槽銑削的下刀方式十分重要，要求下刀點(diǎn)留下的痕跡最少、最淺。下刀的方式主要兩種，垂直下刀和螺旋下刀。挖槽時，如果采用垂直下刀，當(dāng)下刀速度比較快時，工件被刀具沖擊，刀具在工件里出現(xiàn)“撞刀”現(xiàn)象，會使工件表面的下刀點(diǎn)留下刀痕。但是當(dāng)模型的“槽”比較特殊，如果采用等高線加工曲面表面時，它只能采用簡單的垂直下刀方式，控制下刀速度，否則采用螺旋下刀容易發(fā)生干涉，產(chǎn)生過切現(xiàn)象。

（3）裝夾定位基準(zhǔn)一致性。正反兩面裝夾時如果定位基準(zhǔn)不一致，將直接導(dǎo)致零件加工出現(xiàn)很大的誤差。

（4）拐角處理。復(fù)雜表面零件表面往往有多個拐角組成，在拐角加工時需注意拐角處加工速度過快導(dǎo)致過切現(xiàn)象，刀具直徑過大導(dǎo)致過?，F(xiàn)象。轉(zhuǎn)角處要設(shè)置自動減速，一般由機(jī)床直接自動控制。如果機(jī)床控制系統(tǒng)本身不具備小拐角自動降速機(jī)制，則必須由CAM軟件提供。CAXA 制造工程師中提供了拐角加工減速功能，它是在軟件中根據(jù)路徑的傾斜角度、角部角度、水平圓弧的半徑為依據(jù)，做一定范圍的降速調(diào)整。

（5）自動編程與實(shí)際加工的差別。自動編程完成仿真時沒有發(fā)現(xiàn)工件過剩或過切，而實(shí)際加工完成后工件出現(xiàn)過剩過切。主要有以下幾點(diǎn)原因：刀具過長，發(fā)生抖刀；粗加工和精加工的對刀因素，保證對刀準(zhǔn)確，對刀基準(zhǔn)面精度要求高；機(jī)床拐角時沒有減速，在拐角處過切。

2 零件建模與數(shù)控加工

2.1 零件建模

考慮到QQ公仔模型工藝性、實(shí)用性、美觀性等諸多特性，QQ公仔模型由身體、嘴部、翅膀、腳部、圍巾、肚皮等部分組成。QQ公仔模型主要難點(diǎn)體現(xiàn)在翅膀、嘴巴、腳部、圍巾部分的設(shè)計(jì)。QQ公仔模型身體主體造型采用回轉(zhuǎn)命令和邊倒圓命令完成。翅膀、嘴部、圍巾、腳部的成型主要使用繪制相應(yīng)的輪廓線、網(wǎng)格曲線、修剪等命令完成。肚皮主要由繪制橢圓、投影、分割面命令完成。

2.2 加工工藝分析

曲面零件的加工要考慮的是曲面的形狀和粗糙度，QQ公仔模型是由多個曲面構(gòu)成的零件，為了提高加工效率，可將模型劃分為3個部分，正面、反面、QQ眼睛部分加工。無論是正面還是反面都是由多個曲面過渡自然聯(lián)接而成，但是眼睛部分是由曲線構(gòu)成。QQ公仔模型零件的毛坯材料定為鋁合金，形狀為60 mm×60 mm×200 mm的方料。工件采用平口鉗裝夾，需正反面兩次裝夾，裝夾的時候需注意要保證采用同一定位基準(zhǔn)。在QQ公仔模型的正面或反面的粗加工時，可以選擇刀具直徑較大的立銑刀來切除大量余量來提高加工效率；在半精加工時，選擇刀具直徑較小的立銑刀去除由于刀具直徑過大導(dǎo)致粗加工無法加工到的地方；在精加工時，為保證QQ表面加工質(zhì)量和精度，半精加工余量不宜設(shè)置過大也不宜過小，刀具選用直徑較小的球頭刀刀具直徑。采用3軸聯(lián)動FANUC數(shù)控加工中心，按照粗加工、半精加工、精加工的原則，依次完成模型正面粗加工、正面半精加工、正面精加工、眼睛輪廓加工、反面粗加工、反面半精加工、反面精加工。

2.3 設(shè)定加工環(huán)境及創(chuàng)建加工對象

從設(shè)計(jì)模塊切換到加工模塊，彈出“加工環(huán)境”對話框，在“要創(chuàng)建的CAM設(shè)置”列表框中選擇“mill_contour”，其他默認(rèn)，單擊確定，完成加工環(huán)境設(shè)定。接著根據(jù)實(shí)際加工要求依次創(chuàng)建刀具、加工坐標(biāo)系、創(chuàng)建加工方法、指定工件和毛坯等。

2.4 加工參數(shù)設(shè)定及加工軌跡生成

正反面粗加工：型腔銑主要用于曲面、斜度較小的側(cè)壁、型腔型芯的加工，用型腔銑粗銑模型的大體輪廓，選用Φ16立銑刀去除大部分余量；正反面半精加工：粗加工時刀具半徑較大，刀具無法對零件較小的區(qū)域銑削，導(dǎo)致還存著一定的余量，用Φ6立銑刀采用固定區(qū)域銑削方式對模型進(jìn)行半精加工；正反面精加工：采用R3的球刀采用固定區(qū)域銑削，去除正反面模型最終余量；眼睛輪廓的加工：通過固定輪廓銑中的曲線驅(qū)動方法的設(shè)置，完成曲面上曲線槽的銑削加工，采用R1球刀，設(shè)置好相應(yīng)的加工參數(shù)，最后生成軌跡。

2.5 加工仿真及G代碼生成

對生成的刀具軌跡進(jìn)行仿真模擬，檢查軌跡中是否存在明顯的過切、未加工到的部位及加工干涉現(xiàn)象。運(yùn)用軌跡仿真功能，模擬實(shí)際切削過程，觀察材料去除過程和進(jìn)行刀具干涉檢查，檢驗(yàn)生成的刀具軌跡是否滿足要求。得到正確軌跡后，生成G代碼。

2.6 Vericut機(jī)床仿真與機(jī)床實(shí)際加工

Vericut軟件能模擬在加工過程中刀具的切削、加工零件、夾具、工作臺及機(jī)床各軸的運(yùn)動情況，在進(jìn)行真實(shí)加工之前，使用Vericut軟件依次完成機(jī)床、夾具、零件、毛坯、切削刀具和NC代碼等基本要素相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，模擬加工的整個過程和加工結(jié)果。最后將優(yōu)化后G代碼通過計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口直接與機(jī)床連通，通過在線傳輸，機(jī)床根據(jù)收到的G代碼加工程序進(jìn)行加工。實(shí)際加工結(jié)果與原來預(yù)定的加工效果相一致，基本沒有出現(xiàn)過切和欠切的加工表面，表面光潔度較好，表面精度較好。

3 結(jié)語

通過在3軸聯(lián)動FANUC數(shù)控加工中心上完成復(fù)雜曲面零件銑削加工的實(shí)踐證明，如果合理設(shè)置自動編程時的加工路徑、切削用量、刀具參數(shù)，便能提高復(fù)雜曲面零件表面光潔度和精度，減少復(fù)雜表面零件過剩或過切現(xiàn)象的產(chǎn)生。經(jīng)仿真切削可以保證程序的準(zhǔn)確性和數(shù)控加工時的安全性，提高生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期，實(shí)現(xiàn)了高效優(yōu)質(zhì)的數(shù)控加工。

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