五軸加工工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

范仁杰，余道陽(yáng)

（1.銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，安徽 銅陵 244061；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 前言

五坐標(biāo)機(jī)床功能強(qiáng)大、加工效率高、質(zhì)量好,在復(fù)雜曲面數(shù)控加工領(lǐng)域,具有獨(dú)到之處.CAD/CAM建模、仿真加工以后，分析工藝、碰撞、過(guò)切、欠切等問(wèn)題.圖1為基于UG和VERICUT的五軸加工設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化的流程圖.

圖1 工藝設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化流程圖

2 零件三維CAD模型

參考設(shè)計(jì)圖紙，分析零件及曲面詳細(xì)尺寸，計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制曲線、曲面，構(gòu)造零件CAD模型如圖2.

圖2 零件CAD模型

3 零件UG CAM設(shè)計(jì)

3.1 確定復(fù)雜曲面零件加工工藝方案

根據(jù)零件的CAD模型，分析曲面形狀，尺寸特點(diǎn)，采用粗加工、半精加工和精加工加工方案，結(jié)合UG NX10.0提供的CAM工序類(lèi)型確定該零件的工藝方案如表1所示.

3.2 規(guī)劃刀具路徑

UG NX10.0的CAM主要包括創(chuàng)建刀具、設(shè)置機(jī)床坐標(biāo)系、工序設(shè)計(jì)（如圖3）等，其中工序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ?利用“可變流線銑（VARIABLE_STREAMLINE）”方法精加工槽側(cè)面時(shí)，需要設(shè)置的參數(shù)較多，如“刀軸”參數(shù)的“軸”設(shè)置為“相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體”，“前傾角”設(shè)置為“0”，“側(cè)傾角”設(shè)置為“-67”.

圖3 零件工序設(shè)計(jì)

表1 加工工藝方案

3.3 后置處理

刀位文件不能直接被數(shù)控機(jī)床識(shí)別，須經(jīng)過(guò)后處理轉(zhuǎn)化為指定數(shù)控系統(tǒng)的程序，才能在相應(yīng)機(jī)床上運(yùn)行，完成加工任務(wù).現(xiàn)生產(chǎn)單位擁有DMU 60t機(jī)床若干臺(tái)，配備Heidenhain iTNC 530控制系統(tǒng)，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀，UG NX10.0后處理文件須滿(mǎn)足該五軸機(jī)床一擺頭（B軸）、一擺臺(tái)（C軸）結(jié)構(gòu)和海德漢控制系統(tǒng)的要求.將與機(jī)床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)相適應(yīng)的后處理文件B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl和B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def拷貝至 UG NX10.0后處理文件目錄“NX 8.5MACH esourcepostprocessor”中，使用記事本打開(kāi)該目錄中的template_post.dat文件，在文件的最后添加一行內(nèi)容：“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def”，然后保存該文件，完成對(duì)后置處理的修改.這樣，在UG NX10.0軟件中就加了一個(gè)名字為“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530”后處理器.

4 VERICUT仿真

4.1 選擇數(shù)控系統(tǒng)

VERICUT仿真時(shí)使用的數(shù)控系統(tǒng)要與生產(chǎn)單位機(jī)床系統(tǒng)相一致，軟件VERICUT7.2.3默認(rèn)數(shù)控系統(tǒng)為fan30im，須修改為軟件庫(kù)中hei530數(shù)控系統(tǒng).

4.2 建立機(jī)床模型

按照運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)建機(jī)床的外形模型時(shí)，不需要考慮機(jī)床主軸等部件的內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)將不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的部件和底座簡(jiǎn)化為機(jī)床本體進(jìn)行整體建模[4].DMU 60t機(jī)床有兩大傳功鏈，他們分別是主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈和進(jìn)給傳動(dòng)鏈.主軸帶著刀具繞著B(niǎo)軸旋轉(zhuǎn)，并且與Y向運(yùn)動(dòng)組件相連，Y向運(yùn)動(dòng)組件又和X向組件相連，形成主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈.毛坯裝夾在C向轉(zhuǎn)動(dòng)組件上，該組件和Z向運(yùn)動(dòng)組件相連，共同構(gòu)成毛坯進(jìn)給傳動(dòng)鏈.在組件樹(shù)Component Tree依次定義機(jī)床部件，添加順序?yàn)锽ase→X→Y→B→Spindle，Tool→Base→Z→C，從而得到機(jī)床組件樹(shù)如圖4所示.創(chuàng)建過(guò)程中，根據(jù)機(jī)床實(shí)際參數(shù)設(shè)置X、Y、Z、B和C軸的快速移動(dòng)速度、最大進(jìn)給速度等參數(shù).

圖4 機(jī)床組件樹(shù)

4.3 添加機(jī)床幾何模型

分別選擇對(duì)應(yīng)組件中的模型節(jié)點(diǎn)，在“添加模型”選項(xiàng)中選擇“模型文件”，依次添加機(jī)床模型文件.在“JAWS（即夾具）”節(jié)點(diǎn)之下添加“Stock（即毛坯）”“Design（即設(shè)計(jì)）”節(jié)點(diǎn)及它們的幾何模型，如圖4所示.

4.4 機(jī)床參數(shù)設(shè)定

恰當(dāng)?shù)臋C(jī)床參數(shù)對(duì)VERICUT仿真至關(guān)重要.選擇“配置”“機(jī)床設(shè)定”菜單命令，依次設(shè)置機(jī)床的碰撞檢測(cè)、機(jī)床零點(diǎn)、行程極限、軸優(yōu)先等參數(shù)[1-3].除了以上參數(shù)外，還要對(duì)B、C軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)置，選“配置”“控制設(shè)定”菜單命令，設(shè)置B、C軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)型為“EIA（360絕對(duì)）”.

4.5 其他準(zhǔn)備工作

坐標(biāo)系統(tǒng)和程序零點(diǎn)的設(shè)置.對(duì)于坐標(biāo)系統(tǒng)，設(shè)置“附坐標(biāo)系”到“Stock（工件）”；對(duì)于程序零點(diǎn)，子系統(tǒng)1程序零點(diǎn)，“偏置名”設(shè)置為“程序零點(diǎn)”，同時(shí)選擇從“B”“組件”到“Csys1”“坐標(biāo)原點(diǎn)”定位.創(chuàng)建加工刀具.根據(jù)表1的工藝方案，創(chuàng)建4把刀具，其中3把直徑分別為16、12和6毫米的平底立銑刀，1把直徑為4毫米的球頭立銑刀.

UG后處理生成程序及VERICUT添加程序.在UG NX10.0中分別對(duì)六個(gè)工步（見(jiàn)圖3）進(jìn)行后處理，選擇前文設(shè)定的后置處理器B_HEAD_C_TABLE_ITNC530，輸出 NC程序.在 VERICUT7.2.3中，選擇“數(shù)控程序”節(jié)點(diǎn)“添加數(shù)控程序文件”載入NC程序.

4.6 仿真加工

準(zhǔn)備工作完成后即可啟動(dòng)VERICUT仿真加工，該零件仿真加工效果如圖5所示，由圖可見(jiàn)，在槽的上邊緣存在較為嚴(yán)重的過(guò)切現(xiàn)象，而此處在UG仿真加工時(shí)是不存在過(guò)切的，原因是VERICUT仿真引入機(jī)床、刀具及工裝系統(tǒng)，更加貼近現(xiàn)實(shí).設(shè)置過(guò)切、欠切公差均為0.01mm，并用顏色加以區(qū)分，顏色較深的位置表示過(guò)切或欠切，利用軟件將仿真加工結(jié)果與原設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析比較，得到圖6（a）,由圖可見(jiàn)，工件不僅存在過(guò)切現(xiàn)象，在曲面曲率較大位置還存在較為明顯的欠切問(wèn)題，故零件不合格.

圖5 VERICUT仿真效果

圖6 工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

合格零件必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，過(guò)切和欠切均會(huì)影響零件的外觀或使用功能.由圖1可知，若零件仿真加工不合格，須對(duì)零件CAD造型或CAM設(shè)計(jì)等不妥當(dāng)?shù)牟糠诌M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).仔細(xì)分析VERICUT仿真過(guò)程后發(fā)現(xiàn)，過(guò)切出現(xiàn)在“剩余銑（REST_MILLING）”工步，在UG CAM設(shè)計(jì)中選用“型腔銑（CAVITY_MILL）”代替“剩余銑”，同時(shí)須設(shè)計(jì)“型腔銑”“切削參數(shù)”，將“參考刀具”選擇為“D12”平底立銑刀，即可利用型腔銑方法實(shí)現(xiàn)剩余料的半精加工.

零件欠切也是不允許的，分析欠切的位置可知，大部分的欠切與槽側(cè)精加工“可變流線銑”工步有關(guān)，修改該工步的“刀軸”參數(shù)，將“側(cè)傾角”由“-67”修改為“-60”.重新后處理生成程序，在VERICUT中添加相應(yīng)程序進(jìn)行仿真加工，由仿真效果圖可見(jiàn)，過(guò)切情況已不存在.設(shè)置過(guò)切、欠切公差為0.01mm讓仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行自動(dòng)比較，分析結(jié)果如圖 6（b）所示.對(duì)比圖 6的 a和 b，進(jìn)行CAM優(yōu)化設(shè)計(jì)后，基本消除了過(guò)切和欠切現(xiàn)象，仿真結(jié)果能夠滿(mǎn)足要求.

5 結(jié)語(yǔ)

借助UG和VERICUT實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的CAD建模、CAM設(shè)計(jì)、加工仿真和工藝優(yōu)化.在虛擬環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的加工過(guò)程，校驗(yàn)了加工程序的準(zhǔn)確性，避免了碰撞、干涉等現(xiàn)象，減少了過(guò)切、欠切等問(wèn)題，采用虛擬制造技術(shù)，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，降低了生產(chǎn)成本，對(duì)五軸機(jī)床加工有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

〔1〕陳文濤,夏芳臣,涂海寧.基于 UG&VERICUT 整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012（2）.

〔2〕李芳,劉凱,王昊,等.基于 VERICUT 的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控微型銑床建模和仿真[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013（2）.

〔3〕燕杰春.基于UG和Vericut軟件平臺(tái)的多軸數(shù)控加工編程與仿真加工研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(2).

〔4〕占剛,趙麒.基于UG與VERICUT虛擬數(shù)控加工仿真技術(shù)研究[J].熱處理技術(shù)與裝備,2012,33(6).