基于UG的數(shù)控多軸加工工藝優(yōu)化設(shè)計

楊鵬飛 王軍歌

摘要： 本文主要針對葉輪等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件在四軸、五軸加工刀路建立過程中可能出現(xiàn)的問題，利用UG軟件的多軸銑模塊對可能對加工刀路產(chǎn)生影響的刀軸、驅(qū)動方法以及投影矢量等進(jìn)行了綜合試驗研究。根據(jù)研究結(jié)果來看，通過插補(bǔ)矢量類型可以對刀具的路經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化，以此避免刀柄以及刀具等工件之間產(chǎn)生的碰撞。

關(guān)鍵詞： UG;數(shù)控多軸加工;工藝優(yōu)化

引言

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展為工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的助力，一些數(shù)控軟件的多軸加工功能，通過加工代碼的編寫可以對零件的加工刀路進(jìn)行合理的優(yōu)化。UG軟件的多軸加工非常適用于復(fù)雜零件的制造，傳統(tǒng)的固定軸加工方式無法進(jìn)入的領(lǐng)域都可以通過該軟件獲得解決。UG軟件的多軸加工主要包括可變軸曲面輪廓銑和順序銑，前者的應(yīng)用相對而言更加廣泛。

四軸聯(lián)動設(shè)備加工刀路的優(yōu)化

在數(shù)控加工領(lǐng)域，多軸加工通常是指四軸聯(lián)動或是五軸聯(lián)動加工，具體是基于CAD或是CAM軟件生成特定的刀路，之后通過專用后置處理模塊將其進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化一定的代碼，使其能夠被數(shù)控設(shè)備所配備的數(shù)控系統(tǒng)所識別。這種模式可以有效的解決一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工困難的問題，而加工刀路的構(gòu)建則決定了零件加工的效率和質(zhì)量。通常來講，判斷加工刀路是否合理需要考慮的因素包括是否存在過切、少切、空走刀現(xiàn)象、刀具、刀柄以及夾持器和工件之間是否存在相互干擾等。本文主要探討的是四軸聯(lián)動和五軸聯(lián)動設(shè)備在加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件時的刀路優(yōu)化問題。

葉輪葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件在加工時需要考慮流體力學(xué)、空氣動力學(xué)等諸多專業(yè)領(lǐng)域的知識，因此對加工進(jìn)度有著極高的要求。傳統(tǒng)加工工序具有步驟復(fù)雜，消耗時間長，加工質(zhì)量低等問題，因此人們開始利用數(shù)控機(jī)床，尤其是先進(jìn)的五軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行葉輪葉片的加工，這樣可以最大程度的保障加工質(zhì)量和精度。而為了滿足此類復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的加工要求，即使采用多軸聯(lián)動設(shè)備依舊需要對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

四軸聯(lián)動設(shè)備主要包括四軸四聯(lián)動和五軸四聯(lián)動等數(shù)控設(shè)備，但是其程序每一行最多只能設(shè)置4個加工坐標(biāo)，這必然會對零件加工刀路的生成產(chǎn)生一定的限制。例如，在利用UG軟件的多軸加工中的可變軸曲面輪廓銑功能對某陀螺零件進(jìn)行加工時，驅(qū)動方法可以選擇曲面區(qū)域，投影矢量選擇刀軸、刀軸選擇遠(yuǎn)離直線，4軸垂直于驅(qū)動體以及4軸相對于驅(qū)動體等方式。若是選擇遠(yuǎn)離直線的加工刀路，在將曲面輪廓向外擴(kuò)大時會導(dǎo)致刀具和工件之間相互碰撞的幾率大幅度提升。為了避免刀具和工件發(fā)生碰撞，可以適當(dāng)?shù)募娱L刀具的長度。但是在設(shè)備高速運轉(zhuǎn)的條件下，加長刀具長度意味著刀具懸伸長度的增加，這會使導(dǎo)桿的穩(wěn)定性出現(xiàn)下降，威脅到零件加工的質(zhì)量。

對此此類問題，UG軟件的刀軸選項中設(shè)置有一項特殊的刀軸功能——插補(bǔ)矢量，其作用是在空間的任意位置對刀軸進(jìn)行控制，這樣就可以有效解決上文中涉及到的問題，但這本質(zhì)上已經(jīng)達(dá)到了五軸刀路。在具體操作的過程中，首先應(yīng)將系統(tǒng)默認(rèn)的相關(guān)矢量刪除，之后旋轉(zhuǎn)零件的旋轉(zhuǎn)軸，使其達(dá)到接近水平的位置，按F8鍵，使用鼠標(biāo)單擊旋轉(zhuǎn)軸，拖動鼠標(biāo)將零件旋轉(zhuǎn)到位。此外，插值方法還可以選擇光順選項，這樣做可以使刀具的運動軌跡實現(xiàn)光滑過渡，防止其在機(jī)床運動的過程中出現(xiàn)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象，影響到設(shè)備的正常運行。在最終形成的刀路圖中，所有刀軸的方向全部相同，這樣就可以避免刀具和工件碰撞的現(xiàn)象發(fā)生。

葉輪葉片如果采用四軸聯(lián)動設(shè)備進(jìn)行加工時也會出現(xiàn)與上述類似的問題，利用UG軟件可變軸曲面輪廓功能對葉輪葉片進(jìn)行加工的過程中，生成的加工刀路圖也存在刀具和工件碰撞的情況，對此依舊可以采用插補(bǔ)矢量的方式解決。在具體操作時，可以采用添加刀軸矢量的方式避免問題刀路，并在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑有碌牡遁S矢量，生成新的刀路。經(jīng)過矢量調(diào)整之后，加工刀路明顯獲得了有效的改進(jìn)，刀具和工件之間的碰撞干涉問題也得到妥善解決。在刀路調(diào)整后，若仍舊存在不光順的問題，可以通過繼續(xù)添加刀軸矢量的方式對其進(jìn)行優(yōu)化。

五軸聯(lián)動加工刀路的優(yōu)化

工業(yè)生產(chǎn)中最常見的五軸聯(lián)動加工設(shè)備為五軸聯(lián)動加工中心，在利用可變軸曲面輪廓功能對陀螺零件進(jìn)行加工時，選擇曲面區(qū)域作為驅(qū)動方法，選擇刀軸作為投影矢量，刀軸選擇垂直于驅(qū)動體，相對于驅(qū)動體，插補(bǔ)角度至部件、插補(bǔ)角度至驅(qū)動方式，生成五軸聯(lián)動加工刀路。

上述提到的幾種道路在加工中均有可能出現(xiàn)刀具和工件相互碰撞干涉的現(xiàn)象，對此，可以采用第一章節(jié)提到的方法對刀路進(jìn)行優(yōu)化，避免刀具和工件的相互干涉。為了使刀路變得更加光順和緊湊，可以對加工區(qū)域邊界刀軸矢量的方向進(jìn)行調(diào)整，轉(zhuǎn)動圖形找到一個刀具和工件不會產(chǎn)生碰撞干涉的角度。對于葉輪葉片等結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的零件，如果采用五軸聯(lián)動設(shè)備進(jìn)行加工，可以利用UG軟件中自帶的專用葉片加工模塊，這樣可以快速有效生成最佳的葉輪葉片五軸聯(lián)動加工刀路。

結(jié)語

綜上所述，在使用數(shù)控多軸設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工的過程中，加工工藝優(yōu)化可以有效提高零件加工質(zhì)量。本文以UG軟件的GAM功能模塊為基本，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件多軸數(shù)控加工工藝優(yōu)化問題進(jìn)行了分析研究，采用插補(bǔ)矢量的方法解決了工件和刀具之間相互碰撞干涉的問題，實現(xiàn)了加工效率、質(zhì)量的提升。但需注意的是，在加工刀路優(yōu)化完成后，還需進(jìn)行加工參數(shù)優(yōu)化、工裝夾具優(yōu)化等相關(guān)內(nèi)容。

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