基于UG和VERICUT的航空薄壁件數控加工與仿真研究*

曹旭妍，徐家忠

(陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院，陜西 西安 710300)

0 引言

隨著航空航天技術的不斷進步和發展，對該領域產品的性能要求不斷提高，其中，薄壁類零件在航空工業中的應用范圍不斷擴大。由于該類零件結構復雜，厚度較小，且材料多為較難加工的合金，受切削力等因素的影響，如何在保證零件加工精度的同時減小工件的變形量，提高加工效率是薄壁類零件加工的難點[1]。

本文針對某航空薄壁零件的加工難點進行分析，為該零件設計合理的夾具和加工工藝流程。采用UG軟件完成該航空薄壁零件的三維建模，并按照工藝流程，利用UG中的CAM模塊進行自動編程，生成刀具軌跡及NC程序。為驗證程序的正確性，優化加工參數，避免實際加工中出現機床與工件的干涉和碰撞等問題，基于VERICUT虛擬仿真平臺建立機床模型，對該航空薄壁零件進行虛擬仿真加工。該方案解決了航空薄壁異型件加工中的變形問題，對保證高效率、高質量的加工具有一定積極作用。

1 航空薄壁件加工工藝研究

1.1 零件結構及加工難點分析

某航空薄壁件的材料為鈦合金TC4，基于UG軟件創建其三維模型，如圖1所示。該零件是較為典型的框體類薄壁件，零件上下兩面都需要進行加工，零件的最小凹圓角為R2 mm，零件大部分的壁厚都比較薄，僅為2 mm。

圖1 航空薄壁件三維圖

零件的外形不規則，主要是由壁厚較薄的腔槽組成的雙面結構件，且還要保證零件在翻面加工時便于定位、支撐，因此給裝夾帶來一定的困難；鈦合金為難加工材料，在加工過程中會出現粘刀、斷屑、變形等，給零件加工工藝的編制增加了一定難度。

1.2 零件裝夾分析

該航空薄壁件為異型零件，其外形不規則，無法使用平口虎鉗來進行裝夾。由圖1可知： 零件兩面都需要加工，且壁厚較薄，沒有壓板可以支撐的地方，不能采用通用夾具中最簡單的壓板裝夾方式。因此，該零件的裝夾需要設計夾具，但考慮到零件為單件生產，故不適合設計專用夾具[2]。綜合上述因素，在零件的兩端設計工藝凸臺是最合理的方法。

工藝凸臺設計應充分考慮零件結構的對稱性，粗、精加工的對刀基準，便于裝夾。同時，還要考慮到工件加工完成后，工藝凸臺的去除，圖2為所設計的工藝凸臺的形狀。零件兩側的工藝凸臺可以用虎鉗進行裝夾，避免夾緊力造成工件變形，與工件連接部分厚度設計為2 mm，既保證連接剛度，也便于加工后去除，簡化了夾具設計。

圖2 工藝凸臺示意圖

1.3 加工工藝分析

零件材料為鈦合金，其導熱系數高、切削溫度高，切削時會出現粘刀現象，加上零件壁厚較薄，為減小加工變形，在加工過程中，要嚴格注意區分粗、半精和精加工工序。其中粗加工的主要目的是去除余量、釋放加工應力，因此，應在粗加工之后增加恒溫時效處理[3]。

通過以上分析，簡單制定零件加工工藝路線為： 下料→數控飛面(保證厚度及平面度)→粗加工(正面內腔、外部、拐角等)→去應力時效(熱處理)→半精加工→精加工(正面所有輪廓、底面、曲面)→反面加工→線割(去除兩端工藝凸臺)→鉗工(拋磨線割痕跡)→檢驗入庫[4]。

零件的加工質量除受工藝路線影響外，還與加工過程中所選定的走刀形式，及路線、加工參數設置等有直接關系，應根據實際情況，對刀軌、加工參數進行合理設置和優化。

2 UG數控加工編程

2.1 加工前準備

創建加工幾何參考模型。由于該零件為雙面加工，因此首先將創建好工藝凸臺的零件在199層和200層各復制一個，分別用于正面加工和反面加工，然后創建輔助體，正反面加工幾何部件分別如圖3(a)和3(b)所示，最后再創建兩個用于正反面加工的加工坐標系。

(a) 正面加工

加工前，首先將加工模板設定為“mill_contour”，然后分別設置正面加工坐標系ZM_MCS、正面加工幾何體ZM_WP和反面加工坐標系FM_MCS、反面加工幾何體FM_WP，安全平面均設定在距零件極限面20 mm的位置；定義正面程序組ZM_NC和反面程序組FM_NC；最后再創建D12， D10， D6， D6R3， D4， 5把加工刀具[5]。

2.2 加工工序創建

根據工藝分析，該航空薄壁件需要進行多步工序才能完成加工，結合零件結構特點、材料特殊性和加工實際情況，為各加工工序選擇合理的加工方法，并設置合適的刀具參數、切削參數、切削模式、切削層數等。由于零件正反兩面結構一樣，僅列出薄壁件正面加工工藝編排及主要參數，如表1所示[6]。

表1 航空薄壁件加工工藝編排

2.3 典型加工工序

為詳細說明在UG中加工工序的創建及參數設置，下面以外壁精加工這一工序來進行舉例。該步工序采用的加工方法是平面輪廓銑，選用D4刀具，創建平面輪廓銑PLANAR_PROFILE，部件邊界如圖4(a)所示，具體切削參數按表2進行設置，生成的刀具軌跡如圖4(b)所示。

(a) 部件邊界

表2 平面輪廓銑切削參數

2.4 NC程序生成

在實際加工中，數控機床只能識別與系統對應的NC程序，因此，在生成刀具軌跡之后，需要將其轉化為機床所能識別的NC程序。借助UG軟件自帶的后置處理模塊，對該薄壁零件的刀軌進行后處理，生成的部分NC程序如圖5所示。

圖5 部分刀軌NC程序段

3 基于VERICUT的虛擬仿真加工及NC優化

通過UG自動編程加工能快速實現薄壁類零件的工藝處理及NC程序獲取，但程序正確與否，依靠人工來識別，不僅費時費力，且準確性和可靠性無法保障。傳統的試切法等方法不僅浪費物力、財力，還往往因試切中的錯誤，發生撞刀等危險情況，造成較大的經濟損失。基于VERICUT平臺，構建機床的虛擬仿真加工系統，對薄壁類零件進行仿真加工，不僅能夠快速識別NC程序中的錯誤，預判加工中可能存在的干涉、碰撞等問題，提高NC程序正確率，同時對保障機床安全、提高加工效率具有重要意義。

在VERICUT中構建虛擬仿真系統，不僅要保證機床尺寸的一致性，同時還要求虛擬系統具有與實際機床相同的運動邏輯、控制系統、加工刀具等。建立機床模型時，需對實際機床尺寸進行詳細測量，確保模型的準確性；根據機床運動軸的運動關系，在VERICUT中建立機床運動樹，定義各運動軸的邏輯關系，并根據實際應用的數控系統在VERICUT中選擇適用的系統，必要時需根據實際機床需要，對所選系統進行二次開發，定義特殊的程序代碼。加工夾具、加工刀具、裝夾方式等也要與實際完全一致，建立好虛擬仿真系統后，導入毛坯及NC程序，對零件進行仿真加工[7]。

圖6為航空薄壁零件在VERICUT中的加工過程。通過仿真加工，能直觀地觀察到零件加工中機床主軸及相關運動部件的空間位置關系，加工中刀具的走向，判斷程序是否正確。仿真結束，通過對加工結果進行測量，可提前知道加工中是否存在過切、欠切現象，為優化工藝提供幫助。

(a) 虛擬仿真機床

VERICUT平臺不僅能檢驗NC程序的正確性，同時應用其優化模塊，能夠對NC程序中進給速度進行優化，提高加工效率。優化模塊不改變NC程序的軌跡，對NC程序的正確性不會造成額外影響。通過綜合分析加工余量、轉速、進給速度間的關系，將最優速度匹配給加工機床，并將優化后的程序段自動插入源程序段中，形成新的NC程序。

對比外壁精加工工序優化前后NC程序加工所用的有效時間，如圖7所示，可以看出，優化后工序加工時間減少了20 s。因此在實際加工中，通過優化模塊，對NC程序進行優化，能夠在不同程度上降低加工時間，提高加工效率。

(a) 優化節省時間成本計算

4 結論

以某航空薄壁類零件的數控加工為例，根據零件的結構特點、工件材料、加工設備和加工要求等，分析零件的加工難點，通過設計工藝凸臺，優化機械加工工藝方案，在簡化零件裝夾方案的同時避免了機械加工變形。利用UG軟件的CAM模塊進行零件的自動編程加工，完成了工序創建、刀具軌跡和NC程序生成，提高了編程質量和效率。最后，基于VERICUT軟件建立機床的虛擬仿真加工系統，模擬了航空薄壁件的實際加工環境、加工參數等，對零件進行虛擬仿真加工。通過仿真加工對薄壁件的NC程序進行了正確性檢驗，有效預判實際加工中存在的干涉、碰撞、過切、欠切等問題，同時通過對NC程序進行優化，提高了工件的加工效率。結果表明： 所提出的加工工藝及仿真方法，能提高航空薄壁件的加工質量和加工效率，對薄壁類零件首件開發及試制具有一定的指導意義，為航空零部件制造企業的同類零件加工提供了借鑒。