基于Power mill與vericut的多軸仿真技術(shù)研究

董慶運(yùn)　霍文國(guó)　張翔宇

摘要：由于多軸加工中參與運(yùn)動(dòng)的軸數(shù)較多，故干涉和碰撞檢測(cè)成為了多軸加工的重要內(nèi)容，文章通過對(duì)比一般CAD/cAM軟件和vericut軟件在切削仿真方面的區(qū)別，介紹了在五軸加工中使用vericut進(jìn)行仿真切削的一般過程，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了vericut AUTO—DIFF功能在分析過切及欠切等情況中的重要性，為多軸加工的質(zhì)量保證提供參考。

引言

多軸加工中的零部件很多都較復(fù)雜，除常見的3+2、4+1、五軸聯(lián)動(dòng)加工方式外，還需要采用短刀加工深型腔或高輪廓加工，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1，2]。目前采用通用的CAD/CAM軟件來編制多軸加工程序，應(yīng)用較多的有power mill、IJG、CIMATRON等。由于零件形狀復(fù)雜，在程序設(shè)計(jì)和加工中需要考慮加工質(zhì)量、碰撞、干涉、過切、欠切等問題。大部分CAD/CAM軟件生成的刀具軌跡僅考慮了刀柄、刀具與工件的干涉，但沒有考慮到機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，不能確保數(shù)控程序在加工過程中的安全性。

VERICUT是專為CNC數(shù)控機(jī)床加工仿真和優(yōu)化軟件，利用仿真加工，可以驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性，增加程序的可靠性；基于實(shí)際機(jī)床的結(jié)構(gòu)和工藝系統(tǒng)模型，模擬數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)潛在的干涉碰撞危險(xiǎn)，降低機(jī)床干涉碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)比設(shè)計(jì)模型與切削模型檢驗(yàn)加工中存在的過切、欠切情況。根據(jù)切削仿真優(yōu)化加工程序，提高加工效率。本文采用VERICUT軟件主要解決的問題有：①通過模擬加工過程，進(jìn)行碰撞干涉檢查，對(duì)加工安全性進(jìn)行優(yōu)化；②采用AUTO-DIFF功能檢測(cè)加工后的零件是否出現(xiàn)過切或欠切，對(duì)加工程序的正確性進(jìn)行優(yōu)化。

1.加工工藝規(guī)劃

葉片的種類較多，單個(gè)葉片加工一般是在整體葉輪過大，實(shí)際加工條件不允許，或者以整體葉輪的形式設(shè)計(jì)制造不易實(shí)現(xiàn)時(shí)，設(shè)計(jì)者往往將葉輪的葉片從輪轂上分離，設(shè)計(jì)成單個(gè)葉片，最后進(jìn)行裝配。這種做法降低了加工難度，但對(duì)于具有負(fù)角度的葉片，加工中刀具的長(zhǎng)度會(huì)受到限制。

1.1.加工階段劃分

單葉片一般包括葉片，葉根圓角，流道面三部分，在加工中根據(jù)葉片的復(fù)雜程度可以將加工劃分為粗加工和精加工兩個(gè)階段，粗加工選擇大直徑刀具高速高效地去除多余的材料，加工出葉片的基本形狀，為葉片精加工做準(zhǔn)備。精加工對(duì)葉片的質(zhì)量及工作性能有很大影響，精加工直接影響葉片的曲面形狀，表面粗糙度。最后對(duì)葉根圓角進(jìn)行精加工，葉根圓角的表面質(zhì)量影響葉片的強(qiáng)度。

葉片的具體加工流程如下：加工葉片基體毛坯——粗加工葉片、葉根、流道——精加工葉片——精加工葉根角——精加工流道面；

1.2.刀具軌跡生成

根據(jù)加工階段劃分選擇相應(yīng)的切削刀具，粗加工選擇16rl圓鼻銑刀，圓鼻銑刀可以更快地去除多余的材料，且分層接刀位置有圓弧過渡，加工后的表面不會(huì)過度影響精加工效果。葉片、流道曲面的精加工選擇8 R4球頭銑刀，精加工葉根圓角選擇04-R2球頭銑刀。文章采用power mill 2012生成負(fù)角度葉片的加工程序，粗加工選擇三維模型粗加工高速去除余量。根據(jù)葉片的外形，理想的葉片精加工刀具路徑是一條圍繞葉片運(yùn)動(dòng)的螺旋線，因此選擇曲面投影精加工策略。另外葉根圓角曲面比較規(guī)整，擬選擇曲面精加工策略。經(jīng)過設(shè)置得到圖2所示精加工刀具軌跡。

1.3.干涉驗(yàn)證與仿真切削

在power mill內(nèi)具有干涉驗(yàn)證與仿真切削功能，通過干涉驗(yàn)證可以得到軌跡策略是否存在過切及碰撞干涉問題，在干涉驗(yàn)證后需要通過仿真切削確定干涉的情況。如下圖所示由于葉片整體高度大于刀具外伸長(zhǎng)度，造成圖3a仿真切削所示的刀柄與工件發(fā)生碰撞的問題，圖中紅色圈注部分為刀柄與葉片發(fā)生碰撞的部分。因次需要重新設(shè)置軌跡參數(shù)，調(diào)整刀具切削過程中的刀軸狀態(tài)，消除切削過程中的碰撞干涉。通過修改刀軸側(cè)傾角，生成如圖3b所示無(wú)干涉軌跡，可以看出刀軸在切削過程中始終與被加工曲面法線方向保持一個(gè)設(shè)定角度，從而避免刀柄與葉片發(fā)生碰撞。