基于VERICUT軟件的滾刀車銑復合仿真加工技術(shù)研究

黃帥，王曉麗

西安工業(yè)大學機電工程學院

1 引言

齒輪在工業(yè)生產(chǎn)制造中占據(jù)重要地位，而滾齒是齒輪加工的重要方法，因此，滾齒刀具的制造水平在一定程度上影響著齒輪行業(yè)的發(fā)展。目前，我國滾齒刀具制造技術(shù)和世界先進水平還有很大差距，代表我國滾齒刀具技術(shù)水平的有哈爾濱第一工具廠、漢江工具廠、上海工具廠、重慶工具廠等企業(yè)，且都已具有比較成熟的滾刀加工和設計技術(shù)[1]。這些企業(yè)雖然在滾刀生產(chǎn)中能基本實現(xiàn)數(shù)控加工，但仍處于多設備、多工序生產(chǎn)，嚴重制約了生產(chǎn)效率。

本文提出了滾刀的車銑復合加工方法，該方法能夠解決我國目前滾刀刀具制造中存在的設備多、工序多、自動化程度低和生產(chǎn)周期難以保證等問題。課題組以國內(nèi)某著名工具廠的滾刀加工工藝為研究對象，研究滾齒刀具車銑復合加工的理論和工藝。借助UG8.5軟件建立MTA20立式車銑復合機床模型，配合VERICUT9.0軟件構(gòu)建虛擬機床，并設置數(shù)控系統(tǒng)、毛坯、坐標系和刀具等內(nèi)容，設計了完整的車銑復合加工工藝流程，并進行了滾刀的仿真加工。

2 滾刀傳統(tǒng)加工工藝

加工過程主要是指利用機械加工的方式，逐步消除被加工毛坯尺寸與空間余量，最后形成目標刀具的全過程，同時也是指導機床操作員現(xiàn)場加工的方法[2]。國內(nèi)某工具制造廠的滾刀加工工序為鉆內(nèi)孔—車各部—車螺紋—銑容屑槽。表1為該刀具廠滾刀實際加工過程中的各個工序、所用加工機床以及加工實例。

表1 滾刀加工工藝現(xiàn)狀

總體來看，該工具廠滾刀熱處理前加工工序雖然基本實現(xiàn)了數(shù)控加工，但仍處于多機床、多工序的制造水平，由此造成的操作人數(shù)多和效率低等問題有待改進。

3 滾刀車銑復合加工工藝

基于該工具廠實際滾刀熱處理前的分散加工工藝進行工序整合與優(yōu)化，以圖1所示滾刀為例，設計了滾刀熱處理前車銑復合加工工藝(見表2)。

表2 車銑復合加工工藝

4 滾刀車銑復合仿真加工

4.1 建立機床模型

為了保證虛擬仿真機床對實際生產(chǎn)的指導意義，仿真機床需要與實際機床的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、刀具等保持一致。本文采用MTA20車銑復合機床，該數(shù)控車銑設備擁有由數(shù)控系統(tǒng)操作的多個刀柄，且機床控制系統(tǒng)中雙主軸、雙刀架能夠同時運行，實現(xiàn)切削加工，同時，機床控制系統(tǒng)還擁有對Y主軸的加工能力，以及能夠達到強大銑削功效的C主軸功能。該機床具備四軸聯(lián)動功能，配合副主軸Z向進給可以完成工件的雙向夾持，實現(xiàn)工件的正反面加工，保證一次裝夾完成復雜工件的全部或大部分工序(見圖2)。

圖1 滾刀零件

圖2 MTA20車銑中心

由于VERICUT軟件并未提供滾刀車銑復合機床，因此需要根據(jù)試驗的實際仿真需求，搭建仿真環(huán)境。仿真模型主要目的是模擬滾刀的加工，因此，僅需保留MTA20車銑中心的運動軸及床身等主要模塊，其他機床部件可省略。利用UG軟件建立機床組件的三維模型并完成裝配(見圖3)。

4.2 搭建虛擬仿真機床

使用VERICUT軟件對零件實行虛擬仿真機械加工，需要提供虛擬環(huán)境。如圖4所示，根據(jù)機床各部分組件運動關(guān)系拓撲結(jié)構(gòu)，搭建機床各組件運動關(guān)系模型樹后，在VERICUT軟件里加載的MTA20立式車銑復合加工虛擬機床框架。其步驟如下：將NX8.5軟件中建立的仿真機床模型分別劃分成線性軸、旋轉(zhuǎn)軸、機床床身及夾具等部分，分別以.stl格式導出；在VERICUT項目樹的Base下添加線性軸、旋轉(zhuǎn)軸及主軸部分然后在該位置雙擊添加床身、運動軸等對應模型文件；將保存好的各組件模型分別導入對應的項目下，最后成功將模型導入VERICUT軟件中；按照各軸之間的運動邏輯關(guān)系正確定義其依附關(guān)系，分別定義線性軸與旋轉(zhuǎn)軸、機床組件的依附關(guān)系；同時添加機床配套的數(shù)控系統(tǒng)。

圖3 車銑復合機床模型

圖4 虛擬機床配置

4.3 仿真加工

仿真加工的主要目的是通過加工代碼程序驗證加工工藝的合理性[3]。采用NX環(huán)境中CAM模塊對毛坯零件進行軟件自動編程；通過構(gòu)建加工零件的幾何模型形狀，結(jié)合設計的車銑復合加工工藝路線，使用圖像顯示器的光標在零件圖像上選定工件范圍，定義走刀路徑，并錄入相應工藝參數(shù)后，最終自動生成數(shù)控加工代碼。啟動VERICUT軟件，設置完成各項參數(shù)后，添加數(shù)控程序，最后點擊“仿真”按鈕，即可開始對滾刀車銑復合加工過程進行仿真加工，其結(jié)果見圖5。

圖5 仿真加工

完成滾刀的加工后，點擊VERICUT軟件中的“自動比較”功能，對其進行分析，沒有發(fā)現(xiàn)任何誤差，證明通過車銑工藝仿真加工獲得的模型與標準模型基本相同，驗證了該工藝的正確性。

5 結(jié)語

通過分析國內(nèi)滾刀加工工藝現(xiàn)狀，提出了齒輪滾刀的車銑復合加工方法，設計了齒輪滾刀的車銑復合加工工藝方案；利用UG NX軟件按照MTA20車銑中心結(jié)構(gòu)建立了車銑復合加工機床模型，通過VERICUT進行虛擬機床的搭建，實現(xiàn)了滾刀的車銑復合加工仿真。通過仿真加工實驗驗證了本文所設計的滾刀熱處理前車銑復合加工工藝的正確性與可行性，且有效提高了滾刀的加工效率，對滾刀車銑復合的實際加工生產(chǎn)具有一定的指導意義。