等距型面正交車銑加工的仿真

孔繁雅 姜增輝 邵忠偉 姜智勇

(①沈陽理工大學(xué)機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110159;②內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

型面聯(lián)接是采用非圓異形截面的孔軸配合代替鍵和花鍵來傳遞扭矩的一種配合聯(lián)接方式[1-2]。型面聯(lián)接中使用最為普遍的是等距型面聯(lián)接，與普通的鍵和花鍵相比，等距型面聯(lián)接對中性好，可以分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中并且有更高的疲勞強度[3]。在直徑相同的條件下，等距型面聯(lián)接較其他聯(lián)接具有較大的抗剪能力[4]。在實際應(yīng)用，等距型面中以三弧段等距廓形曲線應(yīng)用最多。

在等距型面的加工中，其制造加工工藝較為復(fù)雜，制約了等距型面聯(lián)接的應(yīng)用范圍。目前，國內(nèi)對型面聯(lián)接加工方法的研究處于傳統(tǒng)加工方法，而采用正交車銑加工技術(shù)可以在加工精度，加工效率等方面達(dá)到更高的要求。

本文以三弧段等距型面為例，建立了一種等距型面正交車銑的仿真加工方法。

1 三弧段等距型面的廓形

如圖1所示，三弧段等距廓形是由3段半徑為rd的大圓弧和3段半徑為rx的小圓弧平滑相切連接而成的封閉曲線，其形成需先取一原點O為圓心, 以rf為半徑作圓，此圓稱為分度圓，將分度圓三等分，得A、B、C三點，再分別以A、B、C為圓心，以rx為半徑作3個小圓弧C1、C2、C3，再分別以A、B、C為圓心，作與C2C3、C3C1、C1C2相切的大圓弧C4、C5、C6，由此可得一光滑封閉曲線。該曲線上任意兩條平行切線之間的距離為一恒定值，即為三弧段等距廓形曲線[5-6]。

2 建立虛擬臥式車銑加工中心

由于加工等距型面的零件結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體棒料，無需多次裝夾，臥式車銑復(fù)合加工中心可實現(xiàn)對該尺寸軸類零件的加工，并保證其加工精度，故選擇臥式車銑復(fù)合加工中心[7-8]。通過選擇機床參數(shù)，最終選擇以WFL M35車銑復(fù)合加工中心為原型建立虛擬車銑加工中心。

WFL M35機床的運動結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，WFL M35機床具有X1軸、Y1軸、Z1軸、B1軸、C1軸、Z2軸、Z4軸、S1軸、S3軸等9個運動軸。機床的左端為車削主軸箱，具有C軸功能，右端為可編程尾座，床身上車、銑、鏜主軸裝置可沿各軸進(jìn)行線性和回轉(zhuǎn)運動[9]。該機床在車銑復(fù)合模式下可實現(xiàn)5軸5聯(lián)動，在VERICUT中建立機床運動結(jié)構(gòu)和設(shè)定控制系統(tǒng)。

其各個軸的行程參數(shù)如表1：

表1 WFL M35機床行程表

通過UG按照相應(yīng)尺寸對機床各模型部件進(jìn)行建模，在VERICUT中完成裝配后的機床如圖3所示。

3 基于UG的等距型面車銑刀軌生成

回轉(zhuǎn)體毛坯選擇普通的中碳鋼棒料，直徑為101 mm，長度為400 mm，通過正交車銑的方法將毛坯加工得到大徑為73.54 mm,小徑17.84 mm，長度400 mm的三弧段等距型面軸。其加工擬進(jìn)行四刀粗銑、一刀精銑。

3.1車銑參數(shù)選擇及刀軌生成

以粗銑第四刀為例，為提高切削效率，保證加工質(zhì)量，采用切削深度ap、軸向進(jìn)給量fa逐漸遞減，低速粗銑、高速精銑的切削參數(shù)選擇方案。切削參數(shù)如表2所示。

表2 正交車銑削加工切削參數(shù)

在UG中進(jìn)行刀具運動軌跡的生成時，為了保證最后通過VERICUT的自動比較模塊，清晰地看到過切和殘留，設(shè)置加工殘留為15 μm。將切削步長設(shè)置為公差，內(nèi)外公差均設(shè)置為0.015 mm。將所需加工參數(shù)輸入UG中進(jìn)行編程，將生成的加工刀路通過后處理程序輸出為機床識別的G代碼文件。

圖4為UG生成的粗銑加工銑刀運動軌跡。

3.2 創(chuàng)建UG后處理器

后處理程序是通過UG的加工模塊編制待加工零件的刀路文件，生成機床能夠識別的G代碼。目的是在VERICUT中驅(qū)動車銑復(fù)合加工中心的切削運動[10]，因此需要對WLF M35進(jìn)行后處理器的創(chuàng)建。

首先打開UG的后處理構(gòu)造器，輸入后處理名稱和描述，機床選擇為5軸帶軸頭和轉(zhuǎn)臺。在機床選項中按照表1中的機床數(shù)據(jù)輸入到后處理構(gòu)造器中，第四軸配置為B軸第五軸配置為C軸，并選擇其對應(yīng)旋轉(zhuǎn)平面和旋轉(zhuǎn)角度。定義完成后，查看最終顯示的機床模型如圖5即可。

3.3 設(shè)定機床命令

首先設(shè)定運動學(xué)變量轉(zhuǎn)化命令，機床默認(rèn)此指令是將運動學(xué)變量轉(zhuǎn)化為A軸和B軸的刀軌運動矢量，而在VERICUT中構(gòu)建的WFL M35機床的旋轉(zhuǎn)軸為B軸和C軸，使用該命令交換第四軸和第五軸運動學(xué)變量為B軸和C軸。

其次設(shè)定五軸聯(lián)動加工命令，將加工模式從五軸三聯(lián)動兩定位模式改為五軸同時聯(lián)動的加工模式。將WFL機床特定的3個加工模式啟動代碼TRAORI、TRAORI(2)、TRAFOOF替換原來代碼。

WFL機床的換刀指令TLCH1有很多參數(shù),換刀后會依刀具長度定位，系統(tǒng)會由刀具類型開啟刀具坐標(biāo)系功能和直徑編程功能，創(chuàng)建外部調(diào)用操作命令，通過調(diào)用外部子程序完成刀具換刀、中心架夾緊和尾座頂尖固定的操作。

最后設(shè)置主軸命令，WFL機床在不同的切削模式下，主軸不同，在車削模式下主軸為S1，在銑削模式下主軸更改為S3，S1變?yōu)镃1軸。代碼mom_kin_spindle_axis(#)中，當(dāng)#=0時為車削模式，當(dāng)#=1時為銑削模式，當(dāng)#=2時為車銑復(fù)合模式。

WFL M35機床的后處理器創(chuàng)建完成。

4 基于VERICUT的加工仿真

4.1 添加工件毛坯

如圖6所示，將在UG中對毛坯的建模導(dǎo)出為stl格式，添加到VERICUT仿真加工環(huán)境中。

4.2 構(gòu)建刀具庫

根據(jù)加工的毛坯棒料的尺寸以及最后的得到的三弧段等距型面的尺寸，選用直徑為80 mm的盤銑刀進(jìn)行車銑加工。通過查閱旋轉(zhuǎn)刀具加工手冊，刀盤選用山特維克可樂滿CoroMill?390方肩銑刀R390-080Q27-17H，該銑刀應(yīng)用范圍包括：普通方肩銑、重復(fù)方肩銑、深方肩銑、邊緣銑削、直線坡走銑和螺旋坡走銑、車銑、插銑、槽銑和面銑，可以適應(yīng)粗加工到精加工，故該刀具滿足加工需求。刀具形狀如圖7所示。刀具參數(shù)如表3所示。

表3 CoroMill?390銑刀參數(shù)

刀片采用山特維克可樂滿CoroMill?390銑削刀片R390-18 06 16H-PTW 1130，該刀片為車銑加工修光刃刀片。其刀片形狀如圖8所示。

刀片參數(shù)如表4所示。

表4 CoroMill?390銑刀刀片參數(shù)

4.3 加工仿真及結(jié)果

將程序?qū)隫ERICUT中進(jìn)行仿真，所得UG編程的加工仿真視圖如圖9所示。

從圖9殘留圖可以看出，在排除個別異常數(shù)據(jù)后，VERICUT加工的殘留在10～30 μm波動，能較好地完成等距型面的切削加工。

5 結(jié)語

(1)建立了一種等距型面正交車銑加工方法。

(2)實現(xiàn)了等距型面正交車銑的虛擬仿真加工。

(3)通過正交車銑加工可實現(xiàn)等距型面的精加工。