基于UG的數(shù)控多軸加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

姜 強(qiáng)

（湖南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湘潭 411207）

在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)中，數(shù)控加工技術(shù)無論是過程控制還是加工工藝均與傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)不同。數(shù)控多軸加工是指3軸及以上的數(shù)控加工，其中5軸數(shù)控加工最具代表性。數(shù)控多軸加工可控制3個(gè)及以上坐標(biāo)軸聯(lián)動，并組合數(shù)控鉆、數(shù)控鏜和數(shù)控銑等，以替代傳統(tǒng)的鉆、鏜和銑等功能，以避免多次安裝出現(xiàn)定位誤差，縮短生產(chǎn)工期。為進(jìn)一步提高數(shù)控多軸加工精度，需要借助UG軟件優(yōu)化加工工藝，從而達(dá)到良好的加工效果。

1 數(shù)控多軸機(jī)床加工技術(shù)概述

1.1 原理

數(shù)控多軸加工一般是指3軸及以上的聯(lián)動加工，屬于一種精加工操作模式。國際上將多軸加工的5軸加工技術(shù)作為評判國家工業(yè)化水平的標(biāo)準(zhǔn)之一。該技術(shù)可應(yīng)用于船舶、航天、模具和汽車等行業(yè)。數(shù)控多軸加工設(shè)備主要分為擺頭式和擺臺式兩種[1]。

（1）擺臺式工作臺設(shè)置在床身上，可以以X軸為中軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。將X軸定義為A軸，工作范圍為+30°～ -120°。回轉(zhuǎn)臺設(shè)置在工作臺中間，可以將Z軸定義為C軸，以其為中軸線進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)。

（2）擺頭式的主軸前端為回轉(zhuǎn)頭，可自行以X軸為中軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)，并將其定義為A軸。在回轉(zhuǎn)頭上有B軸，可以以Y軸為中軸線環(huán)繞旋轉(zhuǎn)。在加工中，A軸可實(shí)現(xiàn)-95°～+95°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。C軸可以360°旋轉(zhuǎn)。2軸聯(lián)動與機(jī)床配合，可實(shí)現(xiàn)5軸以上聯(lián)動。它具有整體結(jié)構(gòu)緊湊、夾緊力大和體積小的特點(diǎn)，適用于大扭矩加工[2]。

1.2 機(jī)床選擇

DMU70數(shù)控機(jī)床是基于數(shù)控萬能銑床DMU50研發(fā)而成的。它結(jié)合新興機(jī)床尺寸與驗(yàn)證性技術(shù)，轉(zhuǎn)速達(dá)到14000r/min，進(jìn)給速度達(dá)到24m/min，配制刀庫為16或30刀位，可為單獨(dú)件與小批量加工提供條件。交叉溜板設(shè)計(jì)模式使鑄鐵部件呈現(xiàn)肋狀。機(jī)床底座由素混凝土澆鑄構(gòu)成。兩者配合可提高機(jī)床工作的穩(wěn)定性。將選配回轉(zhuǎn)擺動工作臺與機(jī)床底座結(jié)合為一個(gè)整體，擁有大型凸緣直徑，可保證較高的剛度，進(jìn)而提高加工表面的質(zhì)量與精度。

2 基于UG軟件的數(shù)控加工優(yōu)化設(shè)計(jì)

以葉輪為例，基于UG軟件實(shí)現(xiàn)5軸數(shù)控加工優(yōu)化設(shè)計(jì)。整體葉輪由主葉輪、輪轂和分流葉輪組成。每個(gè)葉片可分為前后緣和左右面，且均勻分布在輪轂表面[3]。主葉片相鄰之間有一個(gè)分流葉片，在輪轂面上構(gòu)成流通道。每個(gè)輪轂與葉片連接處有倒圓過渡面，以確保輪轂與葉片間光滑拼接。

2.1 刀具與刀柄選擇

最小流道與葉片過度圓角為R3，所以選擇R4球頭銑刀或8mm直徑的端面多刃銑刀實(shí)施流道開粗。精加工葉片時(shí)，為避免產(chǎn)生過切現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)根據(jù)流道與葉片R角選擇道具，以確保完全加工流道與葉片，并去除R角殘料，使得操作人員無需再次清角即可切割R角。

切削加工中，應(yīng)用DMU70的5軸功能加工。選擇HSK高速刀柄，優(yōu)點(diǎn)是定位精準(zhǔn)度高、尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、靜/動態(tài)剛度高和重量輕，適用于高速切削。如圖1所示。

圖1 HSK高速刀柄

5軸聯(lián)動加工中，選擇刀柄時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮加工中B軸的擺動角度。若擺動角度過大，會增加主軸的避空距離，進(jìn)而縮短干涉距離，極易發(fā)生碰撞事故。所以，在選擇刀柄的過程中，需充分考量B軸的擺動角度，合理選擇刀具與刀柄長度，基于加工強(qiáng)度的要求，保留一定的避空安全距離。

2.2 加工工藝路線

葉輪加工工藝步驟為粗加工、精加工葉片、精加工分流葉片以及精加工輪轂，如圖2所示。

圖2 加工路線

粗加工是指開粗葉輪流道，并迅速去除毛坯余量。在葉輪整體加工中，粗加工環(huán)節(jié)加快了加工效率。精加工分流葉片與葉片，是指讓葉片表面保證有均勻余量。精加工輪轂是提高輪轂表面的質(zhì)量。該工藝對切削參數(shù)和刀具等有較高要求。

為了提高加工葉輪的效率，應(yīng)用3+2定向加工法粗加工葉輪。3+2定向加工法主要是應(yīng)用B、C軸定位的3軸加工，與5軸聯(lián)動切削加工相比更加流暢，所以可選擇高效率的切削刀具與參數(shù)[4]。但是，它在精加工方面優(yōu)化程度不高，可結(jié)合整體產(chǎn)品質(zhì)量要求，選用相應(yīng)的加工參數(shù)，從而優(yōu)化速度。

2.3 編制加工刀路

提高葉輪整體加工效率的重點(diǎn)在于葉輪流道開粗。只有編寫高效的開粗刀路，才能實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。UG軟件擁有強(qiáng)大的加工功能模塊，可為加工葉輪提供合適的編程。

在多軸加工模塊中，可應(yīng)用球頭銑刀進(jìn)行編程加工。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)刀軸開粗過程的自動控制，但加工刀軸時(shí)無法控制其擺動幅度。若未充分考量這一因素，車床易發(fā)生碰撞事故，因此選擇3+2定向加工開粗葉輪流道。現(xiàn)分析葉片加工過程，若葉片曲率不大，則可通過兩個(gè)二次定軸開粗完成；若葉片曲率較大，則二次定軸開粗難以去除殘料或是部分余量較多，需進(jìn)行二次以上定軸開粗。控制切削區(qū)域是編寫加工刀路和優(yōu)化加工刀路的重點(diǎn)，便于控制毛坯范圍和定義修剪邊界。

2.3.1 定義修剪邊界

設(shè)置加工毛坯以定向Z軸矢量坐標(biāo)系并明確修剪邊界。應(yīng)用UG軟件中的型腔銑編寫流道定軸開粗刀路。受邊界條件限制，毛坯的加工過程抬刀較多，加上流道分流葉片處于加工區(qū)域的邊界內(nèi)，在退刀、進(jìn)刀的加工過程中易出現(xiàn)過分干涉或過切現(xiàn)象，需嚴(yán)格檢查加工刀路。在編寫開粗刀路時(shí)，需結(jié)合殘留余量進(jìn)行仿真切削。應(yīng)用Z軸坐標(biāo)矢量，以IPW尋找殘料模式自動偵測殘留毛坯，或是利用IPW定義殘留毛坯。

2.3.2 控制毛坯切削范圍

根據(jù)流道結(jié)構(gòu)建立曲面，并分割毛坯整體，便于構(gòu)建單一流道毛坯。同時(shí)，要結(jié)合切削要求定向Z軸矢量，明確開粗刀路，然后將剩余毛坯做成幾何體工件，或是以檢查幾何體的方式控制進(jìn)退刀方向和刀路范圍。此方法能夠控制毛坯的加工范圍，使控制方式更簡便。

2.4 精加工

精加工中選擇側(cè)刃驅(qū)動體的控制方式，利用刀具側(cè)刃結(jié)合指定刀軸方向確定加工刀路。工作過程中，根據(jù)運(yùn)動規(guī)律擺動刀軸，有助于掌控整體加工過程，提高加工安全性，以免過度擺動刀軸影響整體加工效率。但是，因?yàn)槿~輪葉片存在扭曲問題，刀軸運(yùn)動可能會產(chǎn)生干涉，所以控制過程中需結(jié)合葉片扭曲幅度設(shè)置刀軸安全角，保證其擺動的安全性。

3 結(jié)語

數(shù)控多軸加工技術(shù)適用于加工精度高、曲面復(fù)雜、工序復(fù)雜、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換與多次裝夾的零件。為進(jìn)一步提高零件加工效率及精度，需要根據(jù)零件特點(diǎn)，探究基于UG軟件的數(shù)控多軸加工工藝優(yōu)化措施，從而更好地推動制造業(yè)的發(fā)展。