UG環境下五軸聯動雙主軸車銑復合技術的教學實踐

殷業財, 吳 波, 隋金玲, 張劍鋒, 梅 梅

(北京石油化工學院 工程師學院，北京 102617)

UG環境下五軸聯動雙主軸車銑復合技術的教學實踐

殷業財, 吳 波, 隋金玲, 張劍鋒, 梅 梅

(北京石油化工學院 工程師學院，北京 102617)

以典型的模型零件為例,介紹了五軸聯動雙主軸車銑復合機床在UG(unigraphics)環境下的復合加工編程方法,對雙主軸車銑復合機床加工坐標系的建立方法、刀具轉換方向、加工工序的安排及加工過程的3D動態仿真進行了詳細的闡述。

車銑復合加工； 掉頭加工； UG； 仿真

1 雙主軸車銑復合機床

復合加工是機械加工領域最流行的加工工藝之一,也是數控設備發展的一個主要方向,其中應用最廣泛、難度最大的就是車銑復合加工。車銑復合加工不是單純的將車削和銑削兩種加工手段簡單的集成到一臺機床上,而是利用車銑合成運動來進行復雜表面加工的一種先進的切削技術和工藝方法[1]。對于一些復雜的產品零件,尤其是航空產品零件,其工藝復雜,工序繁多,往往在一個產品就集成了車削、銑削、鉆孔、鏜孔等多種加工方法。對于兩端都要加工的零件來說,單一主軸的車銑復合機床在加工完零件一端后,不得不人為卸下零件掉頭裝卡加工另外一端,造成了生產輔助時間延長,降低了生產效率,同時降低了加工精度。雙主軸車銑復合機床(見圖1)則能完美的解決上述問題。從理論上說,車銑加工中心可以有效地提高產品加工質量和效率,但實際上結果并不盡如人意,其中主要原因便是難以編制高質量的加工程序,缺乏有效的工具和手段進行驅動[2]。本文以典型的獎杯的車銑復合加工為實例介紹基于UG(unigraphics)的雙主軸車銑復合加工技術。

圖1 雙主軸車銑復合機床

2 制定模型的加工工藝方案

2.1 實例模型分析

獎杯模型見圖2,獎杯主要由底座和杯身兩部分組成,杯身中部為空,且在杯身表面開有大小不等的9個槽,作為工藝品,其各尺寸公差等級和表面粗糙度等主要技術指標可忽略不計。若采用傳統加工方法,則先用數控車床加工出獎杯的整體外形和中空部分,然后再利用五軸加工中心對杯身的曲面槽進行加工,整個加工過程需多次裝卡且定位基準不統一。改用UG環境下帶雙主軸的五軸聯動車銑復合機床加工,以初始毛坯(圓柱體)的兩端中心點分別作為定位基準,先利用第2主軸裝卡卡住毛坯的一端加工出底座,再利用第1主軸夾住剛剛完成的底座部分并完成對杯身的整體加工。這避免了工件被多次裝卡,減少了中間的多個輔助工序,不僅使加工時間大大縮短,而且得到很高的位置精度,提高了生產效率。

圖2 獎杯模型

2.2 設計模型的加工工藝

根據上面對獎杯模型的分析,再結合UG-CAM提供的刀路類型制定的加工工藝方案見表1。

表1 加工工藝表

注: 加工材料:鋁；毛坯尺寸:φ175 mm×310 mm

3 模型加工編程過程安排

3.1 毛坯的建立

設定毛坯類型為圓柱體,在UG中最為簡單及普遍的方法是畫一個稍大于模型截面的圓(本例中圓的直徑可設定為φ175 mm),然后拉伸出一個圓柱體。拉伸毛坯圓柱體的長度要大于模型兩端端面1～2 mm,以留出車端面余量。在實際加工中,合理的加工工藝安排是根據模型零件的尺寸和所設定的毛坯的大小來確定。

3.2 加工坐標系的建立

在本實例中,模型的兩端需要掉頭裝夾進行加工。若采用普通的數控車床加工,由于機床結構原因,需要夾住毛坯一端,將另一端的端面中心處設定為加工坐標系位置,完成后再將工件掉頭夾住已加工部分,將另一端的端面中心處設定為工作坐標系,兩端所設定的加工坐標系的各坐標軸方向不變。采用雙主軸車銑復合機床加工時,當第1主軸夾住工件的一端時,加工坐標系的建立和普通數控車床建立方法相同,見圖3；但是當第2主軸移動過來夾住被加工部分,同時第1主軸松開,第2主軸移回原來位置后,刀具在z軸方向移動進行切削,z軸的正負方向發生了變化,因為在判斷機床各個軸的移動方向時,總是以遠離工件的方向為正方向,所以,在第2主軸加工工件切削時,建立的工作坐標系的z軸方向和在第1主軸的坐標系方向相反[3],見圖4。

圖3 第1主軸工作坐標系

圖4 第2主軸工作坐標系

3.3 工序的安排及注意事項

在工藝表1中,工序1—4工序是UG下的獎杯模型底座加工工序[4],坐標系設定見圖5。底座的加工全部采用車削加工方法來完成,進入UG環境下的車削加工模式,按照先粗后精的原則安排加工順序:先加工端面,然后加工底座輪廓。工藝路線:先粗車端面和輪廓,后精車。由于需要掉頭加工,在對底座端面進行車削編程中,將刀具在Z軸方向的結束位置延長出2 mm。這樣做是因為掉頭加工后,為了使兩端刀路在結束位置接的完整,應有一個重疊距離。考慮到模型底座的厚度不大,裝夾部分較短,為了避免刀具與卡盤距離過近而發生干涉,同時避免加工后的表面輪廓受到影響,因此將底座輪廓刀路Z方向結束位置適當延長。

在表1中,工序5—13是掉頭加工后獎杯杯身輪廓及內孔加工工序,工作坐標系與加工底座坐標系Z軸相反。在傳統的普通數控車床加工中,UG環境下所創建的車削刀具在掉頭加工后可以繼續沿用,而采用雙主軸車銑復合機床車削底座部分時,走刀方向從左向右加工換成從右往左加工后,所建立的車刀將不再適用。為此可以有兩種辦法解決:一是重新創建車削刀具,這種方法比較繁瑣,而且會因為所創建刀具較多,增加了編程風險,影響了編程效率；二是采用旋轉刀具的方法。在UG車削環境中,利用其“繞夾持器翻轉刀具”和“重定向刀具夾持器”功能,此種方法不必再重新創建刀具,操作簡單,只是在原有刀具基礎上旋轉一定角度即可滿足刀具需求。

為了避免一開始加工時就降低工件的剛度,減少受力變形,對杯身加工的順序是:先車削杯身外形,然后再鏜杯身內孔。加工杯身內孔的工藝路線為:打中心孔—引鉆—打孔—粗鏜—精鏜。采用φ30鉆頭打孔,鉆頭直徑較大,為了避免在打孔開始時受到工件作用力影響而發生偏移,采用φ10鉆頭先打出一個深度為50 mm的引導孔,然后鉆頭再沿著此引導孔鉆下去,保證鉆頭四周能受力均勻,減少偏差。

在工藝表1中,工序1—13全在UG車削模式下完成,在UG環境中建立車銑復合加工程序要根據不同的加工類型創建不同的工序子類型。工序14—17是銑削杯身端口和槽的銑削加工工序,從圖2模型中看到,獎杯杯身的端口和槽均為斜壁,采用外形輪廓銑加工方法較為方便,因此在UG加工環境創建工序的類型中選擇mill-multi-axis,子類型選擇外形輪廓銑。對于本模型實例,采用外形輪廓銑加工關鍵的問題是如何選擇底面,因為獎杯的中間是空的,端口和槽的側壁不存在底面,要進入到建模環境下建立一個輔助面,以滿足外形輪廓銑加工的條件。從以往的加工經驗中知道,要將一個面加工完整,刀路需在邊界處做適當延長,本例模型中所需加工側壁的底部在中間的內輪廓表面上,因此建立的輔助底面要略小于中間內輪廓表面。

復雜的車銑復合設備用傳統的手工編程是很難實現的,并且效率很低,很多傳統的以銑削為發展方向的CAM軟件也無法完成此類型的編程[5]。編制程序的排列順序要和工藝表的排列順序相同,因為在仿真和后處理過程中,是按照程序排列的先后順序進行的,因此在對程序編制過程中一定要按照加工工藝的步驟逐步完成。UG-CAM數控編程技術的發展,為車銑加工中心程序編制提供了良好的基礎支撐,研究UG-CAM數控編程技術對車銑加工中心的實際應用有至關重要的現實意義[6]。

4 仿真加工

數控加工仿真是在計算機上通過軟件模擬加工環境、刀具路徑和材料的切除過程,從而達到與零件試切同樣的目的的程序檢驗方法[7]。在UG-CAM下對刀路軌跡仿真,或是選擇3D動態或2D動態模擬仿真都可以對刀具選擇、走刀路徑的正確性等作出直觀的判斷。選擇3D動態同時勾選“IPW碰撞檢查”和“檢查刀具和夾持器”選項,可以更好地檢測加工時的干涉碰撞現象,提高了程序的安全性和合理性。車銑復合加工由于運動部件多、功能復雜,程序編制完成后的加工仿真就顯得尤為重要。為了提高車銑復合加工的應用水平和編程效率,必須大力推動仿真技術的應用。實際上,在車銑復合加工中,對于不同機床結構的模擬仿真,UG尚難以實現,可借助目前的通用數控加工仿真軟件，如Vericut、NCSimul等,根據車銑復合機床的結構、運動特點、特殊功能、數控系統通過定制及宏功能開發實現加工過程的運動仿真[8]。本例中的車銑復合仿真加工,可將工序導航器切換到幾何視圖,將工件一端的工作坐標系設定為G54,另一端設定為 G55。在G54下加工的是工件底座部分,分為4個程序,底座端面粗車-底座外形粗車-底座端面精車-底座外形精車。在G55坐標系下是獎杯杯身的加工程序,包括杯口端面和杯身粗精車—打孔—鏜—精鏜—杯身槽銑削,各個部分的3D動態仿真結果見圖5。此工件比較復雜,所采用的加工策略較多,在編制刀路軌跡過程中,難免會出現前后順序顛倒,因此在仿真過程中,要認真觀察刀具在切削過程中的先后順序,是否按照工藝表中的工藝路線進行加工。

5 結論

隨著車銑復合加工技術的不斷發展,對車銑復合編程技術也提出了更高的要求。由于車銑復合加工設備相比于傳統單一機床的運動和加工功能要復雜得多,目前的通用CAM軟件對于復合加工在工藝路線順序的控制以及一些先進功能編程方面,如自動送料等,仍然存在缺陷和不足。本文通過對UG環境下雙主軸車銑復合加工技術的描述,以實例的形式介紹了UG車銑復合加工技術,解決了利用UGCAM軟件對于工藝復雜的產品零件從毛坯到成品的程序編制過程,同時對工藝順序及注意要點給出了詳細的解答,通過模擬仿真驗證了加工工藝的合理性和加工過程的可行性,為車銑復合加工編程技術提供了參考。

References)

[1] 侯春霞. Mastercam在車銑復合加工中的應用[J]. 現代制造工程,2009(12):31-34.

[2] 瑞士寶美技術(BUMOTEC)有限公司.寶美高速高精度銑車復合加工中心的獨特性能[J]. 航空制造技術,2007(3):64-65.

[3] 高長銀,李萬全,黎勝容. UG NX7.5多軸數控加工典型實例詳解[M]. 北京:機械工業出版社,2011.

[4] 宋放之,童華強,宋小春. 數控機床多軸加工技術實用教程[M]. 北京:清華大學出版社,2010.

[5] 郝一舒,施重頻. EdgeCAM下三拐曲軸的車銑復合加工[J].機電一體化,2008(8)：31-34.

[6] 孫建波,戈迎喜. 車銑加工UG-CAM制造技術與應用 [J]. 精密成形工程,2010(2):84-87.

[7] 劉建元. UG-CAM銑削編程與數控加工仿真軟件的綜合運用[J].中國制造業信息化,2011(13):28-31.

[8] 吳寶海,嚴亞南,羅明,等. 車銑復合加工的關鍵技術與應用前景[J]. 航空制造技術,2010(19):42-45.

Teaching practice of five axis linkage double spindle turning/milling machine under UG environment

Yin Yecai, Wu Bo, Sui Jinling, Zhang Jianfeng, Mei Mei

(Engineering College, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617,China)

Turning-milling compound machining is an advanced cutting technology and process of turning-milling synthesis movement machining complex surface . It is an important direction of today’s CNC machining equipment. Machining process plan of typical parts is determined. Composite processing programming method of the five axis linkage double-spindle turning/milling machine under UG environment is provided. The establishing method of double-spindle milling compound machine tool coordinate system,tool change direction,process arrangement and 3D dynamic simulation of machining process are described in detail.

turning-milling compound machining; turning processing; UG; simulation

2015- 07- 19

殷業財(1981—),男,北京,學士,助理實驗師,主要從事數控教學與加工技術研究.

G642.0

B

1002-4956(2015)10- 0056- 04