基于UG和VERICUT槽輪類(lèi)4軸加工的仿真分析*

郭金山

(甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 武威 733006)

0 引 言

槽輪是4軸加工工藝的典型代表,常用于航空航天、汽車(chē)和煤礦機(jī)械等行業(yè)。4軸機(jī)床加工是在2.5軸銑床上加入了旋轉(zhuǎn)軸,然后由3個(gè)直線軸和 1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成插補(bǔ)運(yùn)功。相對(duì)于5軸設(shè)備,其具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、操作簡(jiǎn)單和適用率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。為了保證槽輪類(lèi)零件輪片的粗糙度和尺寸精度,通常采用銑削和拋光工藝進(jìn)行加工。然而,拋光工藝具有效率低和工作量大等不足。銑削時(shí)通常通過(guò)控制殘余量和過(guò)切量的方法提高拋光效率[2]。

企業(yè)對(duì)槽輪類(lèi)零件進(jìn)行量產(chǎn)時(shí)常因程序和工藝的不確定性造成毛坯浪費(fèi)和機(jī)床碰撞等問(wèn)題出現(xiàn),所以合理的加工工藝是加工制造中急需研究和提高的環(huán)節(jié)。然而,加工制造中多軸加工程序較長(zhǎng),基本不能實(shí)現(xiàn)人工檢查。因此,為減少實(shí)際加工中出現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題,需進(jìn)行三維模擬加工。UG12.0 和VERICUT 8.0是數(shù)控加工中常見(jiàn)的輔助工具,通過(guò)使用UG和VERICUT相結(jié)合的方法能夠直觀地模擬加工過(guò)程中零件的銑削情況和各運(yùn)動(dòng)軸和機(jī)床的碰撞情況,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的程序的優(yōu)化,減少空走刀路,使刀具切削受力更加均勻,從而在較短的時(shí)間內(nèi)加工出精度更高和表面質(zhì)量更好的零件,提高加工制造中零件的加工效率。

筆者以槽輪零件的銑削加工為例,通過(guò)UG軟件的CAM模塊編寫(xiě)加工程序,生成詳細(xì)的刀路軌跡,然后利用VERICUT軟件對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證,并在仿真計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行過(guò)切和欠切判斷,從而降低了加工工藝的開(kāi)發(fā)成本,提高了實(shí)際加工過(guò)程中產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1 輪片三維建模及曲面分析

以實(shí)際加工中毛坯完成車(chē)床粗精加工后剩余槽輪的銑削工序?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)輪片的銑削過(guò)程進(jìn)行仿真分析。圖1為工件的三維模型,圖2標(biāo)注了曲面建模中的引導(dǎo)線,圖3是槽輪曲面的高斯彩圖分析。

圖1 三維模型及編程輔助曲面 圖2 曲面建模引導(dǎo)線

圖3 曲面高斯彩圖分析

2 UG程序編制

2.1 加工前準(zhǔn)備

如圖1所示,為了控制刀路軌跡,為進(jìn)退刀做輔助,避免銑削進(jìn)刀時(shí)的扎刀,軌跡生成前在槽輪中間做輔助面,以減少刀具崩刃,并保護(hù)刀具,提高刀具的耐用性。然后以輔助面為中心,通過(guò)“通過(guò)曲線組”、“等參數(shù)曲線”對(duì)輔助面左右各延伸10 mm。

2.2 規(guī)劃加工軌跡

輪片銑削的工藝流程為:毛坯經(jīng)車(chē)床粗加工、車(chē)床精加工,4軸銑削槽輪,銑削粗加工,半精加工槽輪底、壁,精加工低、壁,最后拋光槽輪。其中粗加工、半精加工、精加工的加工殘留量分別為0.3、0.2、0.1 mm,經(jīng)過(guò)拋光使工件達(dá)到粗糙度和尺寸的要求[3]。工件的加工工藝如表1所列。但輪片的銑削精加工余量不易控制,實(shí)際操作中容易出現(xiàn)過(guò)切現(xiàn)象,是槽輪加工的難點(diǎn)。

表1 銑削工序詳情列表 /mm

2.3 生成程序

利用UG對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行編程。首先創(chuàng)建刀具D10R1,D6R1,D4R2,D3R1.5;然后創(chuàng)建幾何體和加工工序,選擇可變輪廓銑(VARIABLE_CONTOUR),其中驅(qū)動(dòng)方法為曲面驅(qū)動(dòng),投影矢量為刀軸,槽輪的深度為15 mm,設(shè)置的加工步距為30,每次切深為0.5 mm,從而保證機(jī)床平穩(wěn)切削。并且輔助曲面左右各延伸10 mm,其中左邊保證銑削時(shí)進(jìn)刀不直插工件,能夠保證刀具的安全。槽輪右端銑削時(shí)應(yīng)測(cè)量其與三爪卡盤(pán)的距離,避免進(jìn)退刀碰撞卡盤(pán)。為保證切削安全,同時(shí)設(shè)置好其中一個(gè)輪槽加工軌跡,通過(guò)變換和旋轉(zhuǎn)生成整體槽開(kāi)粗程序。圖4為槽輪銑削的粗加工刀路軌跡,圖5為二次開(kāi)粗側(cè)壁刀路軌跡,圖6為半精加工底面的刀路軌跡。

圖4 銑削粗加工 圖5 二次開(kāi)粗側(cè)壁 圖6 半精加工底面

由圖5可知,整體開(kāi)粗后槽輪特點(diǎn)為上寬下窄,其中槽壁上端的單邊余量約為4.2 mm,底端的余量為0.3 mm,故選擇D6R1的立銑刀二次開(kāi)粗側(cè)壁,余量0.3mm。由于粗加工后槽底和側(cè)壁的余量還較大,故選擇D4R2的球刀進(jìn)行半精加工,余量0.2 mm。由圖6可知,槽底的半精加工軌跡抬刀較多,為避免軌跡過(guò)切槽壁,在UG中設(shè)置側(cè)壁為檢查體,檢查體余量為0.1 mm。同時(shí)由于精加工對(duì)曲面的完整度要求高,曲面光滑,刀具選擇D3R1.5球刀,精加工余量為0.1 mm,刀路軌跡在半精加工的軌跡參數(shù)中修改刀具和參數(shù)即可。

修改后處理器對(duì)應(yīng)FANUC加工參數(shù),將生成的軌跡通過(guò)修改的后處理器進(jìn)行后處理。導(dǎo)出程序。

3 VERICUT仿真

3.1 VERICUT 機(jī)床的搭建

建立的虛擬機(jī)床能夠最大程度模擬加工碰撞,檢驗(yàn)程序的準(zhǔn)確性。虛擬機(jī)床的行程配置如圖7所示,虛擬機(jī)床應(yīng)盡可能匹配實(shí)際機(jī)床,此次研究的實(shí)際機(jī)床為FANUC 1160 立式銑床帶轉(zhuǎn)臺(tái)A軸。

圖7 機(jī)床的行程配置

銑削過(guò)程需要機(jī)床、夾具、零件、毛坯、刀具、程序,而虛擬加工也需要對(duì)應(yīng)這些要素。VERICUT機(jī)床搭建的原理,如圖8所示,選擇控制系統(tǒng)為FAN150M。啟用數(shù)控程序前應(yīng)確保工作臺(tái)及各運(yùn)動(dòng)軸的包含關(guān)系、模型與毛坯的關(guān)系,然后調(diào)用刀具庫(kù)和坐標(biāo)系實(shí)施模擬加工,進(jìn)一步分析碰撞、干涉、過(guò)切和欠切等情況。

圖8 機(jī)床控制原理圖

VERICUT結(jié)構(gòu)為樹(shù)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在模型中導(dǎo)入能夠識(shí)別的.igs毛坯文件,在Design中導(dǎo)入U(xiǎn)G中設(shè)計(jì)零件文件,其中Design中建立的坐標(biāo)系與UG加工坐標(biāo)系一致,工作偏置寄存器設(shè)置與實(shí)際加工坐標(biāo)系一致[4]。機(jī)床樹(shù)的搭建及機(jī)床模型及加工圖如圖9、10所示。

圖9 機(jī)床樹(shù)的搭建 圖10 機(jī)床模型及加工

3.2 參數(shù)和刀具設(shè)置

在利用VERICUT進(jìn)行仿真控制時(shí)發(fā)現(xiàn),其視圖窗口能夠很好地顯示零件加工的全過(guò)程,并且能根據(jù)模擬觀看需求實(shí)時(shí)設(shè)置視圖的顯示模式,同時(shí)根據(jù)機(jī)床設(shè)定VERICUT的基本參數(shù)。刀具是加工中必不可少的工具,在設(shè)置刀具時(shí)應(yīng)盡可能與實(shí)際加工中刀刃的長(zhǎng)度、刀柄直徑和長(zhǎng)度保持一致,并且應(yīng)確保設(shè)置的刀具圓角與UG中加工的刀具一致。圖11為刀具庫(kù)的構(gòu)建過(guò)程。

圖11 刀具庫(kù)列表圖 圖12 加工程序列表

3.3 程序的導(dǎo)入和仿真

對(duì)程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn),然后觀察切削過(guò)程是否存在碰撞,最后驗(yàn)證加工刀路和余量,特別是曲面加工中的加工過(guò)切與余量。由于常規(guī)的后處理程序無(wú)法估算余量和過(guò)切,因此利用 VERICUT進(jìn)行仿真[5]。

如圖12所示,將UG生成的程序?qū)隫ERICUT,并在仿真中打開(kāi)碰撞檢查和行程極限。由于VERICUT的仿真動(dòng)態(tài)能夠顯示加工刀路和余量,故當(dāng)程序出現(xiàn)設(shè)置錯(cuò)誤時(shí)用戶(hù)能夠及時(shí)調(diào)整修改。通過(guò)對(duì)比設(shè)計(jì)模型和半精模型(圖13)能夠清楚地判斷刀具出現(xiàn)過(guò)切,此時(shí)返回UG,對(duì)刀具和材料進(jìn)行重新設(shè)置,并對(duì)加工工藝進(jìn)行force優(yōu)化,確保優(yōu)化后的程序能夠使刀具切削受力均勻[6],隨后將程序?qū)隫ERICUT繼續(xù)驗(yàn)證,直至沒(méi)有過(guò)切。

圖13 設(shè)計(jì)模型與半精后的模型對(duì)比

3.4 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后,利用VERICUT中的自動(dòng)比較功能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行過(guò)切和欠切分析。將過(guò)切公差和殘留公差均設(shè)置為0.15,殘留誤差為0.01～0.02。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出,過(guò)切公差和殘留公差小于0.15 mm(如圖14),程序滿(mǎn)足加工要求[7]。

圖14 切削報(bào)告與殘余量與過(guò)切點(diǎn)注:(b)圖中灰色點(diǎn)為過(guò)切點(diǎn)

圖15為優(yōu)化后的工藝,其過(guò)切和殘留公差為0.1 mm,小于標(biāo)準(zhǔn)公差(0.2～0.5 mm),加工尺寸精度較原始工藝有較大提高。

圖15 切削報(bào)告

4 結(jié) 語(yǔ)

利用UG和VERICUT軟件對(duì)槽輪進(jìn)行仿真研究,在VERICUT中搭建了FANUC 1160 的4軸銑床,并對(duì)后處理程序和槽輪曲面的過(guò)切和欠切進(jìn)行驗(yàn)證。槽輪優(yōu)化加工過(guò)程的仿真分析,減少了車(chē)削表面的劃傷,提高了產(chǎn)品加工的效率和合格率;槽輪曲面的銑削分析降低了拋光工序的工作量與工件損失,能夠?yàn)閷?shí)際加工前的檢查和修改提供技術(shù)支持。