基于UG的零件建模和數(shù)控車(chē)削加工方法探究

茆蘭娟，李 軍

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鹽城生物工程分院，江蘇鹽城 224051）

0 引言

零件建模（UGCAD）和數(shù)控加工方法（CAM）是數(shù)控專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的知識(shí)，要求會(huì)用UGCAD軟件對(duì)零件進(jìn)行三維實(shí)體建模，培養(yǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)造型的能力；會(huì)用CAM模塊對(duì)零件進(jìn)行加工工藝設(shè)置、刀具及加工參數(shù)的選擇和數(shù)控編制程序等，培養(yǎng)數(shù)控加工的能力。下面以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明這兩方面的知識(shí)。

高腳杯形狀結(jié)構(gòu)如圖1所示：

主要尺寸：杯體高180.12 mm，杯上身高120.58 mm，杯大肚直徑109.1 mm，杯口直徑100 mm，杯壁厚2.45 mm，杯腿高59.94 mm，腿粗16 mm，腳盤(pán)高4 mm，腳盤(pán)直徑100 mm。考慮到實(shí)例操作需進(jìn)一步了解數(shù)控加工，故材料選用鋼材。

圖1 高腳杯零件圖

1 高腳杯建模

高腳杯可通過(guò)以下步驟進(jìn)行建模造型：繪制高腳杯輪廓截面曲線(xiàn)草圖，利用回旋命令生成高腳杯實(shí)體，實(shí)體邊倒角，隱藏實(shí)體多余輪廓線(xiàn)。

高腳杯實(shí)體造型過(guò)程：

（1）新建高腳杯零件文件

①在桌面上雙擊UGSNX 8.0的快捷方式，打開(kāi)UGSNX 8.0；

③選擇新建文檔的存放位置為E盤(pán)，“文件名”為gaojiaobei，“文件類(lèi)型”為部件文件（*.prt），“單位”為mm，單擊“O K”按鈕新建一個(gè)部件文件。

（2）繪制高腳杯截面曲線(xiàn)的草圖

②繪制截面曲線(xiàn)。利用草圖工具欄上的“直線(xiàn)”、“圓弧”、“圓”命令繪制截面曲線(xiàn)，利用“約束”命令使各段圓弧光滑連接，如圖2所示。

（3）利用回旋生成高腳杯實(shí)體

①選擇回旋功能。選擇主菜單上“插入”→“設(shè)計(jì)特征”→“回旋”，系統(tǒng)將彈出回旋實(shí)體特征向?qū)凇＿x擇剛生成的草圖，單擊“自動(dòng)判斷的矢量”按鈕，選擇草圖上CY方向的直線(xiàn)。單擊“應(yīng)用”按鈕，顯示參數(shù)并自動(dòng)生成高腳杯回旋實(shí)體。

②在圖形預(yù)覽確定模型正確后，在特征向?qū)谥袉螕簟叭∠卑粹o生成實(shí)體，如圖3所示。

（4）高腳杯實(shí)體倒圓角

②選擇高腳杯實(shí)體上邊界。在圖形上選擇回旋體的上底面的邊界，在浮動(dòng)菜單中輸入半徑值。單擊特征向?qū)谥械摹按_定”按鈕生成高腳杯實(shí)體圓角。

③選擇高腳杯實(shí)體下邊界。在圖形上至上往下選擇回旋體的四個(gè)下底面的邊界，在浮動(dòng)菜單中依次輸入半徑值，單擊特征向?qū)谥械摹按_定”按鈕生成高腳杯實(shí)體圓角，繪圖結(jié)果如圖4所示。

（5） 隱藏高腳杯實(shí)體多余輪廓線(xiàn)

選擇隱藏功能。選擇主菜單上“編輯”→“隱藏”，系統(tǒng)彈出字菜單，選擇隱藏選項(xiàng)，選擇截面曲線(xiàn)和XC-YC主平面，單擊浮動(dòng)菜單中的“確定”按鈕完成操作，生成效果如圖5所示。

（6）保存高腳杯文件

完成高腳杯實(shí)體造型各個(gè)特征的建立后，選擇主菜單的“文件”→“保存”，系統(tǒng)彈出UGS NX 8.0瀏覽器，選擇需要保存的文件夾，并輸入文件名“gaojiaobei”單擊“保存”按鈕保存高腳杯文件。

2 高腳杯編程加工

（1）高腳杯加工工藝分析

高腳杯零件的加工，可按先進(jìn)行零件內(nèi)表面的粗、精車(chē)加工，后進(jìn)行外輪廓的粗、精車(chē)加工的方式進(jìn)行切削加工。表1所示為加工過(guò)程中有關(guān)工藝參數(shù)選擇（參考）。

圖2 高腳杯造型流程

圖3 高腳杯截面曲線(xiàn)

圖4 高腳杯的回旋實(shí)體

圖5 完成高腳杯實(shí)體后倒圓角

表1 工藝參數(shù)

（2）分析高腳杯零件圖樣，確定加工方案

高腳杯零件主要由直線(xiàn)、圓弧及曲線(xiàn)組成，高腳杯杯身的曲線(xiàn)部分采用圓弧相切的方式連接而成，各切點(diǎn)坐標(biāo)已知。

高腳杯零件結(jié)構(gòu)工藝性分析：高腳杯零件屬于薄壁、細(xì)長(zhǎng)件，杯自身結(jié)構(gòu)剛性差，易產(chǎn)生振動(dòng)；承受切削和夾緊能力差，易引起熱變形，必須正確選擇刀具和切削余量，合理安排加工工序，以減小和補(bǔ)償形變，保證高腳杯加工精度。

高腳杯精度及技術(shù)要求分析：尺寸公差、形位公差、表面粗糙度和其他一些特殊要求。

高腳杯的加工方案：零件毛坯采用鋼材，機(jī)床采用CYNC-400TA數(shù)控車(chē)床，系統(tǒng)為FANUC Seriesoi Mate-TC；刀具選擇：外圓車(chē)刀、內(nèi)孔車(chē)刀、切槽刀及中心鉆、Ф20mm鉆頭；夾具為三爪自定心卡盤(pán)。內(nèi)表面加工結(jié)束采用軸－徑向退刀，避免撞刀；外輪廓采用斜線(xiàn)退刀，編程選擇手工編程。

（3）高腳杯零件材料分析

45鋼是軸類(lèi)零件的常用材料，調(diào)質(zhì)（或正火）處理后，可得到較好的切削性能，并能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能，淬火后表面硬度可達(dá)45～52HRC。GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45鋼抗拉強(qiáng)度為600 MPa，屈服強(qiáng)度為355 MPa，伸長(zhǎng)率為16%，斷面收縮率為40%，沖擊功為39 J。

（4）數(shù)控機(jī)床的選擇

高腳杯零件為薄壁、細(xì)長(zhǎng)的懸伸件，適用數(shù)控車(chē)床加工。車(chē)床采用學(xué)校數(shù)控車(chē)實(shí)訓(xùn)室提供的CYNC-400TA臥式數(shù)控車(chē)床，系統(tǒng)為FANUCSe?ries oi Mate-TC。床身上最大回轉(zhuǎn)直徑：400 mm，過(guò)拖板最大回旋直徑：230 mm，最大工件長(zhǎng)度：750 mm，X軸最大行程：210 mm，Z軸最大行程：630 mm，主軸頭型號(hào)：ISOA2-6，主軸通孔直徑：Ф52 mm，變速方式：無(wú)級(jí)，主軸轉(zhuǎn)速：200～300 r/min，主軸電極功率：7.5 kW，尾座套筒直徑與行程：Ф52 mm、100 mm，尾座錐度孔：MT4，刀架∶四工位電動(dòng)刀架，冷卻電機(jī)：90 W，冷卻流量：20 L/min，潤(rùn)滑電機(jī)：20 W，潤(rùn)滑排量和時(shí)間：3～6 mL/次、15 min/次，電源電壓：380 V，相數(shù)：3，頻率：50 Hz，熔斷器額定電壓：50 A，設(shè)備容量：20 kVA，加工精度：IT5～I(xiàn)T6。

（5）工件的定位與裝夾

機(jī)械加工中必須使工件相對(duì)刀具和機(jī)床處于正確的位置，高腳杯零件屬于圓柱面定位，可用三爪自定心卡盤(pán)裝夾。三爪自定心卡盤(pán)裝夾方便，有自定心作用，適應(yīng)性強(qiáng)，可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，成本低。但定心精度不高、夾緊力小。用三爪自定心卡盤(pán)裝夾適用于生產(chǎn)中小尺寸、形狀規(guī)則的單件工件。

（6）刀具選擇與安裝

刀架選用四工位電動(dòng)刀架，分別裝夾外圓刀、內(nèi)孔刀和切斷刀；麻花鉆及中心鉆裝于尾座。

（7）編制高腳杯數(shù)控加工程序

加工程序如下：

3 數(shù)控加工注意事項(xiàng)

（1）高腳杯零件屬于薄壁細(xì)長(zhǎng)工件，加工中徑向受力容易增大圓度誤差和直線(xiàn)度誤差，故應(yīng)做到粗車(chē)時(shí)夾緊力大，精車(chē)時(shí)適度減小夾緊力；孔內(nèi)用撐桿支撐，使工件的承受力增強(qiáng)；刀具采用較大主偏角和刀刃鋒利的車(chē)刀，選用切削用量時(shí)以減小切削力和切削熱為原則，切削深度和進(jìn)給量應(yīng)減小。防止工件溫度過(guò)高，工件受熱伸長(zhǎng)會(huì)引起彎曲變形，切削用量不宜過(guò)大，要注意充分冷卻。如圖6和圖7所示為加工零件高腳杯內(nèi)孔和外圓。

圖6 加工零件內(nèi)孔

圖7 加工零件外圓

（2）高腳杯工件驗(yàn)收與質(zhì)量誤差分析。高腳杯工件的測(cè)量主要是測(cè)量高腳杯各軸向的長(zhǎng)度、外徑值及內(nèi)外圓弧圓度。因高腳杯整體尺寸精度要求不高，故可采用實(shí)訓(xùn)室提供的游標(biāo)卡尺等量具。

高腳杯零件的成品經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)各軸向尺寸合格，杯腳部分的徑向尺寸也在控制范圍內(nèi)，但圓弧尺寸不正確，尤其是內(nèi)圓弧誤差較大；另外杯肚底因鉆頭鉆的過(guò)深，留下明顯凹陷部分。總結(jié)原因：主要是由于裝夾時(shí)定位精度不高，加工內(nèi)圓弧時(shí)因無(wú)法使用頂尖定位，使工件加工時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈，影響精度；其次，刀具刀尖有磨損，也直接影響工件的加工精度，如圖8所示。

圖8 高腳杯零件成品

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)高腳杯實(shí)例，結(jié)合UG軟件，說(shuō)明零件的建模過(guò)程和數(shù)控車(chē)削加工方法，從而進(jìn)一步達(dá)到加深對(duì)數(shù)控加工的認(rèn)識(shí)，特別是薄壁零件加工的技巧，同時(shí)培養(yǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)造型的能力。

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