基于UG的徽章類零件的設計與加工

趙江濤，吳志超，朱 虹，杜 莎

華中科技大學工程實踐創新中心（湖北武漢 430074）

1 引言

工程實訓課程是高等教育中重要的實踐教學環節,對高等學校培養具有一定工程素質和創新意識的應用型人才具有重要意義。CAD/CAM技術是現代先進制造技術的典型代表，目前，我校CAD/CAM課程主要包括CAD和CAM兩部分，CAD部分主要介紹實體造型的基本方法和步驟，CAM部分主要完成一個典型零件的3軸數控加工程序編制，然后在加工中心上加工出來。由于高校工程實訓課程分配給每個工種的時間相對有限，選擇合適的案例既能有效提高學生的學習熱情，充分挖掘學生的創新和實踐能力，又能保證實訓的效果具有很大的挑戰。校徽是每個學校的標志，形狀簡單，建模和編程所使用的方法和步驟都非常適合工程實訓教學。現以華中科技大學的校徽為例，介紹使用UG軟件進行設計與加工的方法與步驟。

2 分析

設計的校徽正面及反面圖案分別如圖1和圖2所示。

圖1 校徽正面圖案

圖2校徽反面圖案

整個校徽作品為一個圓形零件，直徑為?80mm，正面有校徽”HUST”的圖形，圖形輪廓為陽刻效果，凸起高度為0.5mm，“HUST”圖形上方為“華中科技大學”6個字，字體為華文楷體，“HUST”下方為校訓“明德厚學 求是創新”8個中文和“WUHAN CHINA”10個英文字母。在正面圖案下方，為華中科技大學英文全名“HUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCE AND TECHNOLOGY”，全部中文和英文文字為陰刻效果，凹下深度為0.2mm。

校徽的反面設計了工程實訓中心的圖形標志和“華中科技大學工程實訓中心”和“2019”的字樣，“華中科技大學工程實訓中心”字體采用華文隸書，“2019”的數字采用的是TIMES NEW ROMAN字體，“華中科技大學工程實訓中心”和“2019”為陽刻效果，凸起高度為0.5mm。

3 通過UG軟件設計模型

（1）校徽正面輪廓建模。

首先在建模模塊中新建一個草圖，創建一個圓，圓的直徑為80mm，再通過拉伸得到一個圓柱體，圓柱體高度為10mm，得到徽章的基體。正面校徽的”HUST”的圖形，通過導入校徽圖形描圖得到外形輪廓，然后拉伸，高度為0.5mm，“HUST”圖形上方為“華中科技大學”6個字，字體為華文楷體，通過插入文本拉伸，與基體求差生成陰刻效果，凹下深度設為0.2mm，“HUST”下方為校訓“明德厚學求是創新”8個中文和“WUHANCHINA”10個英文字母，由于字數較多，加工空間太小，通過加工實驗效果對比，發現字體設為單線字效果較好，中文使用“hzdkt”單線字體，英文使用“Modern”單線字體。在正面圖案下方，為華中科技大學英文全名“HUAZHONG UNIVERSITY OFSCIENCEAND TECHNOLOGY”,同樣使用了“Modern”單線字體。由于中英文單線字的加工方法不同，在建模時中英文單線字的建模也采用了不同的方法，中文單線字在加工模塊中插入注釋文本的方法生成；英文單線字采用插入文本，然后將文本投影到平面上形成投影曲線的方法生成。

（2）校徽反面輪廓建模。

校徽的反面設計了工程實訓中心的圖形標志和“華中科技大學工程實訓中心”和“2019”的字樣，圖形標志同樣采用了導入圖片、描圖和拉伸的方法生成，拉伸高度為0.5mm，“華中科技大學工程實訓中心”和“2019”采用插入文本并拉伸的方法生成，“華中科技大學工程實訓中心”采用華文隸書的字體，“2019”數字采用TIMES NEW ROMAN字體，校徽反面漢字和數字都采用了雙線字體。

4 通過UG軟件進行數控編程

徽章類零件輪廓區域狹小，為得到清晰的文字和圖形輪廓，必須使用小尺寸的雕刻專用刀具。雕刻刀具直徑小，在加工過程中容易折斷，因此在數控編程時必須綜合考慮加工精度和加工效率，進行粗加工時，在保證安全的前提下，應盡可能的選擇大直徑的切削刀具以實現高效去除大量多余的材料；半精加工是為精加工做準備的，使得剩余余量進一步降低，確保精加工更加安全；精加工時應使用高轉速、低吃刀量的加工工藝，得到最終成型表面。編制的工藝如表1所示。

表1 加工工藝路線

由于加工程序步驟較多，文中僅簡要介紹數控編程的要點，其余部分不再贅述。

（1）校徽正面及反面的粗加工。

校徽正面及反面的粗加工采用型腔銑的方法，切削方式選擇跟隨周邊，刀具使用的是D6的立銑刀，每次下刀深度為0.2mm，步距為50%的刀具平直百分比，主軸轉速10,000轉/min，進給率為1,500mm/min。

（2）校徽正面及反面的二次開粗。

由于D6的立銑刀只能加工校徽零件比較開闊的區域，粗加工后在圖形和文字的很多狹小區域會留下比較大的加工余量，若直接用雕刻尖刀進行精加工，可能會因加工量過大致使刀具折斷。因此在精加工之前使用D2立銑刀進行二次開粗，二次開粗程序可以復制D6刀具的粗加工程序，在二次開粗程序中只需更改刀具大小和進刀量，并且在空間范圍選項里選擇參考刀具為D6的立銑刀，其余參數與D6刀具的粗加工一致。

（3）圖形和雙線字的精加工。

校徽正面的“華中科技大學”這6個字由插入文字，拉伸再布爾求差得到，文字部分為陰刻，即文字部分為凹下狀態。此處加工方法選擇底壁銑，底面選擇為文字底部平面，此處為精加工，刀具為雕刻專用尖刀4×45°×0.2mm，主軸轉速15,000轉/min，進給率為2,000mm/min，為提高加工精度，步距設置為固定值0.1mm。

校徽反面工程實訓中心圖標和“華中科技大學工程實訓中心”和“2019”的文字部分為陽刻，即圖標和文字部分為凸起狀態。這些部位的加工方法選擇底壁銑，底面選擇為圖標和文字以外的平面部分，此處為精加工，刀具為雕刻專用尖刀4×45°×0.2mm，主軸轉速15,000轉/min，進給率為2,000mm/min，為提高加工精度，步距設置為固定值0.1mm。相對于陰刻，陽刻的加工量相對較大，但方法和步驟簡單。

（4）單線字雕刻精加工。

雙線字的每個部分都是由兩條線構成一個個單獨的區域，若需要雕刻的區域過小時，可能會因為加工區域過小而無法進刀，這樣會造成雕刻出來的字不連續美觀，因此在狹小區域刻字，適合采用單線字雕刻的方法。

校徽正面的“明德厚學 求是創新”校訓采用了“hzdkt”單線字字體，這幾個字的加工步驟如下：首先進入加工模塊，在合適的位置插入注釋文本，再利用平面文本工序，生成加工程序，文本深度為0.2mm，刀具為雕刻專用尖刀4×45°×0.2mm，為防止斷刀，每刀切削深度設定為0.05mm。

校徽正面的“WUHAN CHINA”和學校英文全稱采用了“Modern”的單線字字體，這幾個字的加工步驟如下：首先在建模模塊中插入文本，放置在合適的位置，再利用曲線投影的命令，將文本投影在平面上生成投影曲線，再進入加工模塊，插入固定軸輪廓銑工序，驅動方法選擇曲線/點驅動，驅動曲線選擇剛剛生成的投影曲線，生成加工程序。

5 校徽零件的數控加工

在數控編程完成后，將數控程序導如數控加工中心之前，還需對數控程序進行仿真分析檢查，以避免不必要的空刀程與風險，優化加工效率，降低加工風險并提升刀具與機床的使用壽命。在對數控程序進行仿真檢查無誤后，再通過UG軟件的后處理模塊，選擇合適的后處理文件，生成適合加工機床使用的G代碼文件。將G代碼文件通過USB接口傳輸到數控機床中進行加工，加工生成的零件經表面處理，最終的效果如圖3和圖4所示。

圖3 校徽正面加工圖

圖4 校徽反面加工圖

6 結束語

UG軟件可以將CAD、CAM以及數控加工技術結合起來應用，避免在不同軟件進行設計和加工帶來的格式轉換問題。以上實例也表明使用UG軟件可以對徽章類零件進行快速設計和加工，有效的提高了加工質量和效率，對CAD/CAM課程教學改革和類似徽章類產品的設計和加工可以提供參考。