基于VERICUT的三軸側銑削仿真技術研究

馬艷萍， 郭輝， 何多政， 沈勇

（中航飛機起落架有限責任分公司，陜西漢中723003）

0 引 言

角度頭作為一種機床附件（如圖1），可用于與主軸旋轉中心線成一定角度的工件加工，如管道內壁或狹小空間銑削、孔內壁切槽鉆孔等環境，不僅能減少工件裝夾次數，還能提高加工精度和效率。正是因為角度頭在銑削過程處于復雜的工況環境，切削仿真顯得尤為重要。

VERICUT作為被廣泛應用于航天、航空、汽車、模具制造等行業的一款仿真軟件，其最大特點是可模擬各種CNC系統。既能仿真刀位文件，又能仿真CAD/CAM后置處理的NC程序。還提供了大多數CAD/CAM軟件的接口模塊，能輕松實現與UG、CATIA等軟件的嵌套運行，可對數控車床、數控銑床、加工中心、多軸機床等數控設備進行程序驗證、分析、優化，過切、欠切檢查，機床仿真等操作[1-3]。

1 角度頭三維模型的創建與部件、毛坯導入VERICUT的快捷方法

角度頭三維數模創建方式較多，一般根據機床選用的角度頭幾何尺寸利用CAD/CAM三維軟件，在其加工模塊創建，如在UG加工模塊中，直接在WCS原點創建角度頭模型，并保證其坐標系與部件加工坐標系MCS平行（減少模型導入VERICUT后位置調整的復雜程度）；也可以直接在CADCAM三維軟件創建角度頭部件，并將其另存為VERICUT支持的模型格式，如*.stl、*.swp、*.igs、*.CATPart、*.model、*.stp、*.prt等；也可在VERICUT軟件中，按選用的角度頭幾何尺寸，采用創建掃略的建模方法，通過直線、圓弧或導入的DXF截面圖形掃略成三維模型。本文主要以UG10和VERICUT8.1進行側銑建模仿真。

圖1 90°角度頭

圖2 VERICUT 8.1交互界面

采用VERICUT仿真接口導入部件、毛坯等元素是最快捷的方法。采用nx10.bat啟動UG10內置的VERICUT仿真接口或直接在UG10激活VERICUT仿真接口，通過交互界面選取加工部件，啟動VERICUT完成模型自動加載。具體步驟：在UG加工模塊中程序順序視圖下，任意選中一個程序根節點后，直接在主菜單點擊VERICUT仿真接口插件，啟動VERICUT接口界面。在彈出的交互界面的模型設置中（如圖2），依次選擇工件模型、毛坯模型及夾具體；其他設置保持默認；點擊Output and Run 啟 動VERICUT。VERICUT軟件啟動的同時，工件模型、毛坯模型及夾具體被一一導入添加至VERICUT項目下的工位中。

2 角度頭側銑功能

2.1 間接實現角度頭銑削功能

在VERICUT工位→Z軸→數模下, 選中機床Z軸模型中的主軸模塊，點擊快捷鍵添加模型→模型文件，選擇從UG導出的STL格式角度頭。建議將WCS坐標創建于角度頭和機床主軸連接的端面中心，并保持MCS坐標和WCS坐標平行，便于后續角度頭在VERICUT中進行裝配和移動。激活刀尖零點坐標，此時刀尖零點坐標仍在主軸端面中心，須根據角度頭的尺寸位置參數，移動刀具并旋轉Spindle刀軸方向。

在修改刀具位置和旋轉Spindle方向前，首先需要在建模軟件中（如UG軟件），測量角度頭安裝中心距離MCS坐標X、Y、Z的數值，作為修改Spindle參數依據。

在UG中測量角度頭模型刀具安裝點距離MCS坐標值或讀取刀具安裝點的點信息（170,0,-110）。則在VERICUT組件Spindle移動設置中，將相對于上級組件位置欄數值修改為（170 0 -110）。Spindle角度遵循右手笛卡爾坐標系旋轉原則，刀軸矢量繞Y軸旋轉-90°，即角度值為（0 -90 0），到此Spindle位置和旋轉方向修改完成。未驗證操作正確性，可手動執行“M06 T01”換刀指令，用于觀察刀尖零點坐標變換后的位置。

圖3 角度頭在Spindle 參數設置

2.2 創建角度頭刀柄實現銑削功能

在VERICUT工位→加工刀具菜單中，添加一把具有刀柄的銑刀，在刀柄節點下→刀具組件→模型文件，彈出加載界面，直接選擇角度頭.stl模型（如圖3（a）和圖4（a）），并勾選刀柄“不跟著主軸旋轉”。組合→移動中的位置（0 0 0），角度（000）；回到銑刀刀具信息中：裝夾方向（0 0 0），裝夾點（0 0 0），對刀點（245 0-110）。其中，對刀點可以智能捕捉角度頭模型端面，再加刀具總長，即對刀點X值為UG軟件中相對WCS原點X方向的偏距加上刀具長度（刀具總長75 mm）；進入刀具→刀具組件，輸入刀具參數（如圖4（b）），組合中的移動位置（245 0 -110），角度（0 -90 0），即移動并旋轉刀具后，保證對刀點與刀具的一致性。

圖4 角度頭刀具

3 基于VERICUT的三軸側銑仿真

對在立式加工中心中采用90°角度頭進行G19平面銑面、鉆孔仿真的一般設置過程是：根據實際使用機床及數控系統選擇與之匹配的仿真機床和控制器，激活坐標系，添加G-代碼偏置，增加數控程序，指定加工刀具，加工仿真和分析對比等。90°角度頭三軸側銑仿真機床與普通三軸銑削機床的X、Y、Z軸層級關系完全一樣（如圖5），側銑仿真難點在于：如何將VERICUT中的角度頭與刀具建立聯系。三軸仿真可直接使用VERICUT 機床庫中的fadal_vmc4020 設備，修改各軸行程而直接使用。

在VERICUT項目下的工位中[4-5]：1）設置仿真機床、控制器。在自帶機床庫中選擇立式加工機床fadal_vmc4020.mch，自帶控制文件中選擇fan15m.ctl，根據實際使用機床修改X、Y、Z軸行程。2）激活坐標系統。選擇與UG加工模塊中創建操作一致的坐標系并激活。3）設置G-代碼偏置。工件偏置參數設置為TOOL到PROGRAM_ZERO，寄存器參數必須與程序中G54～G59一一對應。4）添加數控程序。點擊“添加數控程序文件”進入文件選擇窗口，選擇由側銑頭后處理生成的NC代碼。5）添加加工刀具。因為采用角度頭側銑，建議一把刀對應一個程序段或程序組，換刀方式推薦采用“列表”或刀具號碼。6）添加機床角度頭。

圖5 機床中X、Y、Z 軸的層級關系

角度頭在實際加工時，只有刀具在作回轉運動，角度頭和主軸部件相對靜止，安裝在Z軸模型中的主軸下端。具體兩種添加方式見2.2節，不再贅述。

完成仿真設置后，檢測程序中是否有G54～G59，正確無誤后，直接進行平面、鉆孔、型腔、曲面切削仿真（如圖6）。經驗證，刀軌正確，加工過程無干涉碰撞現象。

注意：當部件低于角度頭刀具回轉中心時，易發生角度頭與工作臺碰撞現象[1-2]。因此需要調整部件、毛坯在機床中的安裝位置（與實際加工中部件墊高環節原理一致）。可在VERICUT 中直接移動Attach的位置，達到同時調整部件、毛坯、夾具的效果。為避免角度頭在快速移動時與零件發生碰撞或與夾具體發生干涉等故障，建議刀軌路徑先沿X、Y方向移動，再沿Z負方向進刀；加工前刀具在靠邊或分中找正的參數輸入時，需考慮是否應減去刀具半徑值；生成的程序盡可能采用切削仿真驗證，消除運動過程中潛在的過切、干涉等風險。

4 結 論

側銑頭作為一種功能強大的機床附件，能增強加工中心使用范圍和設備能力。在復雜型腔、曲面加工時，確定角度頭是否會發生干涉碰撞現象的最好方法就是進行切削仿真。文中介紹了2種實現角度頭銑削仿真的技術，不但適用于三軸側銑，而且也適用于四軸、五軸機床。對于初次接觸VERICUT軟件的工程人員，推薦使用修改刀具位置和旋轉Spindle方向實現側銑頭仿真技術。熟悉VERICUT軟件的人員，可進一步深入了解刀具管理器，發掘VERICUT軟件角度頭、探針、3D打印等強大的刀具管理功能。

圖6 基于VERICUT 8.1 的平面、型腔、曲面切削仿真