五軸加工工藝設計與優化

范仁杰，余道陽

（1.銅陵職業技術學院 機械系，安徽 銅陵 244061；2.合肥工業大學 機械與汽車學院，安徽 合肥 230009）

1 前言

五坐標機床功能強大、加工效率高、質量好,在復雜曲面數控加工領域,具有獨到之處.CAD/CAM建模、仿真加工以后，分析工藝、碰撞、過切、欠切等問題.圖1為基于UG和VERICUT的五軸加工設計、仿真與優化的流程圖.

圖1 工藝設計、仿真與優化流程圖

2 零件三維CAD模型

參考設計圖紙，分析零件及曲面詳細尺寸，計算節點數據，繪制曲線、曲面，構造零件CAD模型如圖2.

圖2 零件CAD模型

3 零件UG CAM設計

3.1 確定復雜曲面零件加工工藝方案

根據零件的CAD模型，分析曲面形狀，尺寸特點，采用粗加工、半精加工和精加工加工方案，結合UG NX10.0提供的CAM工序類型確定該零件的工藝方案如表1所示.

3.2 規劃刀具路徑

UG NX10.0的CAM主要包括創建刀具、設置機床坐標系、工序設計（如圖3）等，其中工序設計是一項較為嚴謹的工作.利用“可變流線銑（VARIABLE_STREAMLINE）”方法精加工槽側面時，需要設置的參數較多，如“刀軸”參數的“軸”設置為“相對于驅動體”，“前傾角”設置為“0”，“側傾角”設置為“-67”.

圖3 零件工序設計

表1 加工工藝方案

3.3 后置處理

刀位文件不能直接被數控機床識別，須經過后處理轉化為指定數控系統的程序，才能在相應機床上運行，完成加工任務.現生產單位擁有DMU 60t機床若干臺，配備Heidenhain iTNC 530控制系統，結合生產現狀，UG NX10.0后處理文件須滿足該五軸機床一擺頭（B軸）、一擺臺（C軸）結構和海德漢控制系統的要求.將與機床結構及系統相適應的后處理文件B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl和B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def拷貝至 UG NX10.0后處理文件目錄“NX 8.5MACH esourcepostprocessor”中，使用記事本打開該目錄中的template_post.dat文件，在文件的最后添加一行內容：“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def”，然后保存該文件，完成對后置處理的修改.這樣，在UG NX10.0軟件中就加了一個名字為“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530”后處理器.

4 VERICUT仿真

4.1 選擇數控系統

VERICUT仿真時使用的數控系統要與生產單位機床系統相一致，軟件VERICUT7.2.3默認數控系統為fan30im，須修改為軟件庫中hei530數控系統.

4.2 建立機床模型

按照運動模塊構建機床的外形模型時，不需要考慮機床主軸等部件的內部傳動機構，同時將不產生運動的部件和底座簡化為機床本體進行整體建模[4].DMU 60t機床有兩大傳功鏈，他們分別是主運動傳動鏈和進給傳動鏈.主軸帶著刀具繞著B軸旋轉，并且與Y向運動組件相連，Y向運動組件又和X向組件相連，形成主運動傳動鏈.毛坯裝夾在C向轉動組件上，該組件和Z向運動組件相連，共同構成毛坯進給傳動鏈.在組件樹Component Tree依次定義機床部件，添加順序為Base→X→Y→B→Spindle，Tool→Base→Z→C，從而得到機床組件樹如圖4所示.創建過程中，根據機床實際參數設置X、Y、Z、B和C軸的快速移動速度、最大進給速度等參數.

圖4 機床組件樹

4.3 添加機床幾何模型

分別選擇對應組件中的模型節點，在“添加模型”選項中選擇“模型文件”，依次添加機床模型文件.在“JAWS（即夾具）”節點之下添加“Stock（即毛坯）”“Design（即設計）”節點及它們的幾何模型，如圖4所示.

4.4 機床參數設定

恰當的機床參數對VERICUT仿真至關重要.選擇“配置”“機床設定”菜單命令，依次設置機床的碰撞檢測、機床零點、行程極限、軸優先等參數[1-3].除了以上參數外，還要對B、C軸旋轉運動進行設置，選“配置”“控制設定”菜單命令，設置B、C軸旋轉臺型為“EIA（360絕對）”.

4.5 其他準備工作

坐標系統和程序零點的設置.對于坐標系統，設置“附坐標系”到“Stock（工件）”；對于程序零點，子系統1程序零點，“偏置名”設置為“程序零點”，同時選擇從“B”“組件”到“Csys1”“坐標原點”定位.創建加工刀具.根據表1的工藝方案，創建4把刀具，其中3把直徑分別為16、12和6毫米的平底立銑刀，1把直徑為4毫米的球頭立銑刀.

UG后處理生成程序及VERICUT添加程序.在UG NX10.0中分別對六個工步（見圖3）進行后處理，選擇前文設定的后置處理器B_HEAD_C_TABLE_ITNC530，輸出 NC程序.在 VERICUT7.2.3中，選擇“數控程序”節點“添加數控程序文件”載入NC程序.

4.6 仿真加工

準備工作完成后即可啟動VERICUT仿真加工，該零件仿真加工效果如圖5所示，由圖可見，在槽的上邊緣存在較為嚴重的過切現象，而此處在UG仿真加工時是不存在過切的，原因是VERICUT仿真引入機床、刀具及工裝系統，更加貼近現實.設置過切、欠切公差均為0.01mm，并用顏色加以區分，顏色較深的位置表示過切或欠切，利用軟件將仿真加工結果與原設計模型進行分析比較，得到圖6（a）,由圖可見，工件不僅存在過切現象，在曲面曲率較大位置還存在較為明顯的欠切問題，故零件不合格.

圖5 VERICUT仿真效果

圖6 工藝設計優化前后仿真結果對比

合格零件必須滿足設計要求，過切和欠切均會影響零件的外觀或使用功能.由圖1可知，若零件仿真加工不合格，須對零件CAD造型或CAM設計等不妥當的部分進行優化設計.仔細分析VERICUT仿真過程后發現，過切出現在“剩余銑（REST_MILLING）”工步，在UG CAM設計中選用“型腔銑（CAVITY_MILL）”代替“剩余銑”，同時須設計“型腔銑”“切削參數”，將“參考刀具”選擇為“D12”平底立銑刀，即可利用型腔銑方法實現剩余料的半精加工.

零件欠切也是不允許的，分析欠切的位置可知，大部分的欠切與槽側精加工“可變流線銑”工步有關，修改該工步的“刀軸”參數，將“側傾角”由“-67”修改為“-60”.重新后處理生成程序，在VERICUT中添加相應程序進行仿真加工，由仿真效果圖可見，過切情況已不存在.設置過切、欠切公差為0.01mm讓仿真結果與設計模型進行自動比較，分析結果如圖 6（b）所示.對比圖 6的 a和 b，進行CAM優化設計后，基本消除了過切和欠切現象，仿真結果能夠滿足要求.

5 結語

借助UG和VERICUT實現復雜曲面的CAD建模、CAM設計、加工仿真和工藝優化.在虛擬環境中，實現機床的加工過程，校驗了加工程序的準確性，避免了碰撞、干涉等現象，減少了過切、欠切等問題，采用虛擬制造技術，優化了生產工藝，降低了生產成本，對五軸機床加工有著十分重要的現實意義.

〔1〕陳文濤,夏芳臣,涂海寧.基于 UG&VERICUT 整體式葉輪五軸數控加工與仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2012（2）.

〔2〕李芳,劉凱,王昊,等.基于 VERICUT 的雙轉臺五軸數控微型銑床建模和仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2013（2）.

〔3〕燕杰春.基于UG和Vericut軟件平臺的多軸數控加工編程與仿真加工研究[J].制造業自動化,2012,34(2).

〔4〕占剛,趙麒.基于UG與VERICUT虛擬數控加工仿真技術研究[J].熱處理技術與裝備,2012,33(6).