基于UG的大型十字萬向接軸法蘭叉頭的數控加工技術研究

吳先文，李 麗，張 丹，李 雷

（1. 四川工程職業技術學院，德陽 618000；2. 中國二重集團公司，德陽 618000）

基于UG的大型十字萬向接軸法蘭叉頭的數控加工技術研究

吳先文1，李 麗1，張 丹1，李 雷2

（1. 四川工程職業技術學院，德陽 618000；2. 中國二重集團公司，德陽 618000）

0 引言

隨著軋鋼設備朝著大型化、連續作業化和高速化方向發展，對軋機主機的安全過載保護要求越來越高，對軋機主傳動用十字萬向傳動軸要求也越高。其中SWC型十字萬向接軸關建零件法蘭叉頭采用整體式結構，由于其型腔曲面為復雜空間曲面，其制造水平的高低直接影響到整個十字萬向接軸質量。長期以來其型腔曲面完全依賴鑄造成型，由于毛坯曲面不規范和鑄件變形，裝配后影響十字包轉動，傳統的解決方法是：先對產品進行試裝，對影響裝配和轉動的部位做記號后憑經驗上機床加工，修完后再裝配，若達不到要求重新上機床修型，這樣不僅費時費力，且零件強度也無保證。運用UG NX CAM技術在數控機床上對鑄件復雜曲面進行檢查及修型，已成功地用于多臺1450軋機項目的十字萬向接軸制造。

1 CAD建模

1.1 法蘭叉頭結構特點及工藝分析

SWC型法蘭叉頭結構如圖1所示，工件毛坯為鑄件ZG42CrMo，法蘭盤直徑D=Φ550mm，軸承孔直徑d=Φ255N6mm，型腔曲面相對于法蘭盤ΦD中心線、軸承孔Φd中心為對稱結構，型腔由兩段R圓弧，且弧面呈30o、17o包絡，包絡的弧面與兩側45o斜面相交，腔底為7o斜面。該產品使用傾角大15o相互運動件容易產生干涉，由于鑄造時漲箱、重要尺寸產生較大誤差等原因的影響，致使實際鑄造叉頭可能存在與相關件嚴重干涉(鑄造時重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差大)或者重要部位的強度減弱（鑄造時重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差小）的問題，從而對產品的生產和質量造成嚴重影響。

圖1 SWC型法蘭叉頭

制造難點分析：

1）由于鑄造實際尺寸與設計尺寸差距很大，有的部位多達8-10mm，有些部位又有缺肉，因此確立合理的工步是該型腔曲面檢查及加工的關鍵。

2）法蘭叉頭鑄造毛坯零件加工余量不均勻，在加工中材料去除量較大，因此提高加工效率是一個難點。

3）法蘭叉頭的型腔面一次走刀中去掉的金屬體積較大，必須考慮刀具壽命，減少停機換刀時間。因此選擇合適的刀具參數，使用合理的切削用量尤為重要。

4）法蘭叉頭加工是在三坐標數控鏜床上加工自由曲面，加工質量和效率對加工程序要求高。

1.2 建立數字模型

將設計提供的利用三維CAD技術及先進的有限元分析軟件優化后的三維模型stp文件導入到UG NX4中，在UG NX4建模模塊中將法蘭叉頭曲面分成A、B、A面（如圖2、圖3所示）。

圖2 法蘭叉頭曲面的分割

圖3 法蘭叉頭三維模型

2 確定數控加工工藝方案

2.1 劃分數控加工工步

由于型腔曲面鑄造公差大，加之鑄件漲箱變形，造成毛坯余量不均勻、不對稱，為了提高加工效率， 先將型腔曲面分割成A、B、A面，按單邊留量6mm，將型腔曲面走刀檢查一遍，確定工件余量，再根據余量情況制定加工流程，如圖4所示。

圖4 加工流程圖

1）如果觀察沒有余量，可加大機床轉速和走刀，快速完成型腔曲面的檢查。

2）如果A、B面均有加工余量，量大則先執行A、B面分別粗加工程序，再執行A、B面同時精加工程序；量小則直接執行A、B面同時精加工程序。

3）如果A面或B面單邊有加工余量，則只執行A面或B面粗、精加工程序。

2.2 選擇加工設備

宜選擇帶回轉工作臺的數控鏜銑床，結合工件外形尺寸及重量，考慮到該零件只對其型腔面進行修形，綜合機床的加工能力及主軸轉速、進給速度等性能，選擇TK6111數控鏜床有利于提高效率。

2.3 選用加工刀具

由于型腔曲面的加工表面質量要求不高，粗、精加工用同一把刀，選擇了75°可轉位面銑刀，刀具直徑Φ160，該刀具可改變每層之間的波峰殘留，減少分層密度，同時可采用大進給量，效率高、性能可靠。刀片可換，即使在長時間切削中磨損后，暫停程序換刀片，此時刀具長度等參數均未變，然后繼續執行程序即可。

2.4 確定切削用量

為了保證切削速度均勻、切削載荷較穩定，減少刀具、機床所受的沖擊，同時提高加工效率，以“小切深大走刀”的高速切削原理來規定切削用量。

切削深度：以數控程序分層加工需要達到的要求，粗加工ap取5～8mm，精加工ap取1～2mm；切削速度Vc＝300m/min；主軸轉速：n=1000r/min；進給速度：f=1000～1500mm/min。

2.5 設計數控程序

編制加工法蘭叉頭型腔曲面程序是數控加工的重要環節，優化刀具路徑、選擇合理進退刀方式對加工質量和效率至關重要。編程采用UG NX4平臺進行自動編程方式。為保證加工連續性和提高效率，采取通過程序自動根據毛坯具體情況分刀進行數控程序的設計。

2.5.1 確定編程原點和加工坐標系

按照加工坐標系MCS和WCS坐標系重合的原則，以ΦD和Φd的中心交點為定G54，這樣在加工過程中能盡量減少碰撞發生，同時方便對刀及加工前的程序檢查（如圖5所示）。

圖5 工件坐標系的確定

2.5.2 設計數控程序加工路線

在NX CAM中的操作對應每個加工工步。根據工序的劃分，在NX CAM中建立程序組，并將程序組名規范化，避免因程序多導致操作失誤。根據選用的刀具創建刀具模型參數和加工參數（如圖6所示）。創建各工序的工件包括零件、毛坯和加工坐標系等加工幾何體和操作（如圖7所示）。

2.5.3 設計數控程序刀具路徑

NX加工模塊中提供了三軸加工和多軸加工模式，法蘭叉頭的加工要求以及加工機床的功能，我們采用CAVITY MILL（型腔銑）方式，用法蘭叉頭的自由曲面作為驅動面，以平行于水平面的不同深度平面與型腔面相截，產生的截面線再偏置一個刀具半徑，產生刀具路徑（如圖8所示）。這樣通過分層的數控程序即（2.5軸聯動加工）生成刀具軌跡，避免加工中扎刀現象，盡量多的運用圓弧插補來加工型腔面的輪廓，使得走刀路線大大縮短，加工時間縮短，且加工的表面光度好，使得后續的打磨工序工作量減少。

圖6 刀具參數模型

圖7 加工幾何體和操作

圖8 程序的刀路設計

2.5.4 后置處理

機床后置模塊的作用是生成可使用的G代碼程序。在實際運用中，發現在圓弧插補上用IJK方式后置處理的G代碼在機床上模擬報警出錯，其原因為數據計算累積錯誤。最后后置處理器改為CR的方式，產生的程序運行通過。系統自動產生NC程序段格式如下：

毛坯檢查程序：（flct.txt）

2.5.5 加工仿真及程序校驗

為了保證程序的可加工性，減少實際試制時間，節約費用，將生成的加工程序在軟件上進行仿真加工。通過仿真可對程序進行分析，防止在加工中出現刀具軸振動、過切及碰撞、扎刀現象。對于仿真結果不理想的程序則可返回加工模塊對加工方式、參數等進行修改，直至仿真結果（如圖9所示）符合加工要求。

圖9 加工仿真

2.5.6 數控系統軌跡模擬

通過數控系統的圖形顯示功能顯示刀具軌跡運行情況，這種方法快而準確，該測試可在各種倍率模式有效時進行。由于所有運動在控制器的圖形模式下進行測試，這樣就減少了檢查任務量，且程序也易跟蹤。

2.6 程序傳輸和運行

法蘭叉頭根據前面劃分，從而產生了2～6個程序。這些程序的程序段數多達8000，在文件大小上，其中一個達到4M字節，可用U盤將程序拷入機床中。

程序在運行時，由于機床的NCU內存太小，無法將程序裝載入后進行加工，所以采用數控機床自動模式下，通過硬盤方式進行邊傳程序邊加工。根據實際情況，在一些加工程序段上通過倍率開關優化指定的切削速度和進給速度。

3 結論

SWC型法蘭叉頭的數控加工解決了SWC型十字萬向接軸的裝配瓶頸，以往由于法蘭叉頭型腔曲面的不規范，裝配一套SWC型十字萬向接軸往往要花費3～4天的時間，通過數控機床的檢查及加工使型腔曲面完全符合理想模型，解決了法蘭叉頭轉動干涉問題，提升了工藝水平，提高了生產效率，節約了成本，也為今后開發SWP型法蘭叉頭的數控加工積累了經驗。

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The research of numerical control machining technology in large cross-universal joint fl ange fork based on UG

WU Xian-wen1, LI Li1, ZHANG Dan1, LI Lei2

研究了UG_NX/CAM軟件在大型十字萬向接軸法蘭叉頭零件數控加工中的應用，并從建模、數控編程、模擬仿真、后置處理、加工程序的生成等方面作了分析，探討了提高數控加工質量和效率的途徑。該方法對其它復雜曲面的加工具有一定的推廣價值。

法蘭叉頭；復雜曲面；數控加工；UG；程序校驗

吳先文（1968 -），男，副教授，碩士，主要從事機電設備設計、制造、維修及技術改造等方面的教學和科研工作。

TP391.72

A

1009-0134(2011)4(上)-0046-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).15

2010-12-23