基于UG 平臺下計算機輔助技術在機械設計制造中的應用

李欣(1.濱州渤海活塞股份有限公司，山東 濱州 256602；2.山東省發動機活塞摩擦副重點實驗室，山東 濱州 256602)

0 引言

計算機輔助技術是把計算機作為工具，輔助工程設計人員在各領域完成相應工作的理論、方法、技術及項目設計推進。它包含的領域非常廣泛，其中包括計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造及測量(CAM&M)、計算機輔助教學(CAI)、計算機輔助質量控制(CAQ)等，對于工程設計人員一般會用到計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造及測量(CAM&M)。

1 概述

設計及加工機械機構、零部件等統稱為機械設計及制造。在機械設計及制造領域中，利用計算機軟件通過大數據快速、準確計算的特點，解決機械設計及制造過程中設計者、操作者難以完成或容易出錯的工作。

隨著計算機技術在各領域的廣泛應用，計算機輔助設計(CAD)和計算機輔助制造(CAM)在航空航天、汽車、通用機械、工業設備、醫療器械以及其他高科技應用領域的機械設計、模具加工自動化的市場上已經得到了廣泛的應用。特別是近年來計算機技術的不斷創新，各種計算機輔助技術日益完善，計算機輔助設計(CAD)通過軟件的布爾運算、偏置曲線、設計特征等功能，可以將復雜的實體模型簡單化、具體化，降低了工程設計人員勞動強度，提高了設計的準確性。計算機輔助制造(CAM)通過軟件可以仿照機械加工中真實狀態，設置零件的加工工藝、刀具設計等加工步驟，通過仿真加工可以發現加工過程中發生的各種問題，提前做到防患于未然，不但能夠提高整個加工過程中的質量，而且還可以大大提高效率，對機械設計及制造各項工作的進展有著非常重大的意義。

2 計算機輔助設計(CAD)在機械設計及制造中的應用

2.1 活塞實體模型的創建

在三維造型中，草圖的主要作用有：(1)通過掃掠、拉伸或旋轉草圖到實體或片體以創建部件特征；(2)創建有成百上千個草圖曲線的大型 2D 概念布局；(3)創建構造幾何體，如運動路徑或間隙圓弧，而不僅是定義某個部件特征。

參數化設計是指在草圖中通過約束表示三維模型的特征，以實現三維模型的一組參數來定義集合圖形的尺寸數值，并約束尺寸相互之間的關系，從而能通過變換設計參數來實現產品模型的更改和相似產品的創建。

在設計活塞實體模型前，根據產品的尺寸要求，對產品的運行環境、運行時間、負荷等要求條件進行追蹤記錄，并對記錄結果進行分析，根據分析結果研究、確定產品的結構、材料。調用UG 軟件的草圖，在草圖中，利用參數建模技術、特征創建二維幾何圖形，利用軟件的相關指令建立活塞實體模型。

所謂模型理想化建模是利用UG 制圖軟件實現直觀化、立體化、形象化建立實體模型的一種技術方法。下面將以軟件UG10.0 版為例按照繪制活塞外圓、環槽、擋圈槽、銷孔，活塞燃燒室、活塞氣門坑的順序，說明活塞實體模型建立過程。

圖1 活塞外圓、擋圈槽、環槽、銷孔

在“草圖”模式下，選取YZ 平面，在YZ 平面中，以YC 坐標軸為中心線，調用“直接草圖”中的“直線”、“圓弧”，在YC-ZC 象限中，標注尺寸，設定“約束”，繪制出活塞擋圈槽、銷孔形狀、燃燒室形狀，退出“草圖”模式，選取“YC”軸作為指定矢量，旋轉選取的活塞外圓及環槽曲線360°，生成活塞擋圈槽、銷孔，燃燒室。

(2)選取活塞頂面作為基準平面，在“草圖”模式下，選取XZ平面，在XZ平面中，以YC坐標軸為中心線，調用“直接草圖”中的“直線”、“圓弧”，在YC-ZC 象限中，標注尺寸，設定“約束”，繪制出活塞氣門坑形狀。退出“草圖”模式，選擇“拉伸”指令，生成氣門坑實體，選擇布爾運算指令“減去”，與活塞頂面進行布爾運算，生成活塞燃燒室、氣門坑形狀，如圖2 所示。

圖2 活塞燃燒室、氣門坑

2.2 基于UG軟件下CAM功能在數控加工中的應用

根據活塞實體模型，分析活塞加工形狀及參數，設置虛擬加工環境。根據活塞的加工要求和實際加工環境，設置工件坐標系、刀具、加工工序、加工件等。本文以加工活塞環槽、氣門坑、銷孔為例闡述在UG 軟件中，CAM 在數控加工的應用。

2.2.1 選定加工模式，設定工件坐標系

以活塞頂面作為坐標系原點，XM 軸為橫向座標軸，YM軸為豎向座標軸，ZM 軸為縱向座標軸。活塞的加工工藝為：

(1)用寬度為1.5mm 和2.5mm 的槽刀精車活塞的環槽。

(2)用Φ5 燃燒室刀車活塞燃燒室。

(3)用Φ15 銑刀銑活塞氣門坑。

(4)用刀尖R0.3-R0.5 鏜銷孔刀鏜活塞銷孔。

2.2.2 編制銑氣門、精車環槽、精鏜銷孔加工程序

(1)建立刀具父節點組，建立幾何父節點組，即建立加工坐標系MCS 和WORKPLECE。

(2)銑活塞氣門坑

①打開活塞實體模型進入加工模式。設置幾何視圖：選擇活塞模型，將加工坐標原點設置在活塞頂面，便于車活塞環槽時，不需要再次設置坐標系。

②建立加工操作步驟：設置加工方法視圖。創建工序，選擇面銑工序，刀具選擇銑刀。

③設置加工方法：選擇加工幾何體(活塞實體)，指定加工面，選擇銑刀，設定加工方法，切削參數、進給率和速度。

⑥銑氣門程序：

M73；

M21；

G00 B0.0 C0.0；

G90 G46；

T4M6；

M03 S3000；

G00 X-30.239Y71.829；

G00 Z50.0；

G01 Z-0.88F700；

G41G01X-41.543Y47.796；

G01 X-36.463 Y41.917；

G02 X-34.76 Y37.34 R7.0；

G02 X-34.825 Y36.387 R7.0；

G03 X-35.02 Y33.54 R20.9；

G03 X-34.031 Y27.188 R20.9；

G02 X-33.842 Y25.972 R4.0；

G02 X-33.845 Y25.821 R4.0；

G01 X-34.311Y13.517；

G40 G01X0.0 Y0.0 F2000；

%。

(3)精車活塞環槽

①打開活塞實體模型進入加工模式。設置幾何視圖：選擇活塞模型，將加工坐標原點設置在活塞頂面，借用銑活塞氣門中心坐標。

②建立加工操作步驟：為精車活塞環槽加工。

③設置加工方法：選擇加工幾何體(活塞實體)，指定加工面，選外徑開槽刀，設定加工方法，切削參數、進給率和切削速度。

⑥精車環槽程序：

M12；

M03 S650 G99；

M08；

T0101；

G00 Z0.5；

G00 X119.0；

G01 X114.4 F0.4；

G01 Z-12.0 F0.3；

G00 X115.07；

G01 Z-38.0 F0.4；

G00 X200.0；

M09；

M30；

%。

(4)精鏜活塞銷孔

①打開活塞實體模型進入加工模式。設置幾何視圖：選擇活塞模型，將加工坐標原點設置在活塞中心。

②建立加工操作步驟：為精鏜銷孔加工。

③設置加工方法：選擇鏜刀，根據銷孔直徑設置刀具加工路徑、切削參數、進給率和切削速度。

⑥編制精鏜銷孔程序

G90 G94 G64；

DIAMOF；

M03 S3000；

M15；

M12；

G01 X0.0 Z-124.0 F3000；

G01 Z-163.8 F800；

G01 Z-191.0 F3000；

G01 Z-163.8 F800；

G01 X3.25F200;

G64 G01 Z-123.0 F200;

G00 X0.0 Z-20.0;

M13;

M30。

3 結語

綜上所述，計算機輔助設計技術(CAD)和計算機輔助制造技術(CAM)在機械設計及制造中的具體應用與機械制圖、準確使用圖形符號于三維建模中，能夠有效提高機械產品生產質量，縮短制造周期，促進機械行業良性發展。在未來，隨著計算機技術的持續發展，CAD 和CAM 技術在機械行業中發揮的作用將進一步提升，進而有力推動我國機械行業的發展。