基于UG的數控多軸加工工藝優化設計分析

李瑞

摘要：當前制造業零件形態的復雜化與高精度推動傳統多軸加工模式向聯動加工模式變革，對于數控機床加工領域的工藝性能優化提出現實要求。本文針對四軸聯動加工、五軸聯動加工工藝優化技術方案進行分析，以某風力發電設備葉輪葉片零件加工為例，利用UG平臺完成該零件的參數化建模與運動仿真分析，并通過運行后置處理程序保證零件加工精度與效率，為數控多軸加工提供參考價值。

關鍵詞：UG軟件;數控機床;多軸加工;優化設計

引言：UG軟件基于多體系統理論為數控機床加工精度提供保障，被廣泛應用于輪胎、發動機及發電設備等工業制造領域的零部件加工環節。數控多軸加工主要利用UG軟件提供的功能模塊將工藝參數轉換為數控代碼，供數控系統完成復雜零部件的高質量加工，對于提升數控加工效率、保障安全生產具有重要現實意義。

1數控多軸加工工藝優化技術

1.1四軸聯動加工

四軸聯動加工中心通常包含四軸四聯動、五軸四聯動兩種類型，在數控程序中單行僅支持4個加工坐標，一定程度上影響到加工零件的刀路生成效果。通過引入UG軟件的可變軸曲面輪廓銑功能模塊，選擇曲面區域進行驅動，以刀軸作為投影矢量，初步完成零部件加工參數的設置。在此基礎上，刀軸選擇遠離直線刀路，將工件的曲面輪廓進行外擴，可檢測到刀具存在與工件碰撞干涉的可能性;當刀具分別選擇4軸垂直于驅動體和4軸相對于驅動體時，均存在碰撞干涉現象，倘若選擇增加刀具懸伸的方式，易在設備高速運行過程中削弱連接刀具桿件的穩定性，進一步降低工件加工精度。

為解決現有加工工藝存在的問題，可在UG軟件中選擇刀軸模塊的插補矢量功能，由系統默認生成工件的插補矢量刀軸刀路，并對工件上4個位置的矢量做出標記。先將刀具上已標記的4個位置以外的矢量刪除，控制旋轉軸旋轉至水平方向，點擊啟動菜單功能，選中Z軸將零件旋轉到位后進行固定，并完成視圖方向的設定。隨后通過選擇光順插值，使刀具移動軌跡保持平順過渡，保證刀具在數控機床加工過程中始終保持勻速運行，由此生成的刀軸均保持同向，有效優化刀路，防范出現碰撞干涉問題。

1.2五軸聯動加工

五軸聯動加工中心主要采用五軸五聯動模式，同樣借助可變軸曲面輪廓銑功能模塊進行工件加工，在沿用四軸聯動加工參數的基礎上，分別設置插補角度至部件、至驅動兩種方式生成刀路。

為解決加工工藝中的干涉問題，可借鑒四軸聯動加工模式實現刀路的優化設計。當優化后的刀路仍未實現光滑過渡，可選擇工件邊界部位調整刀軸矢量，隨后沿旋轉軸控制旋轉角度，調至與工件間無干涉可能，并設置視圖方向固定，完成刀路的二次優化。

2基于UG的工藝優化設計應用

2.1工件情況

以某100KW風力發電機組為例，該風機葉輪為直紋螺旋面回轉體結構，包含15個葉片。葉片由硬鋁材料制成，呈螺旋上升狀，葉片厚度為1.77～3.2mm，軸向寬度為10mm，最小曲率半徑為R5。為改善加工切削率，選用302×122mm棒材進行硬鋁材料的加工，利用10mm立銑刀進行粗加工，后更換6mm球頭銑刀進行精加工，在加工過程中控制主軸方向的垂直度，通過將工件裝夾抬升防范干涉問題。

2.2參數化建模

考慮到工件曲面形態較為復雜、加工精度要求高，選用UG軟件建立葉片參數化模型。根據工藝規劃思路設置工件基本參數，依據床身、Y軸、X軸、Z軸、A軸、C軸的順序分別在數控機床上添加相應組件，建立組件的三維實體模型。

2.3數控編程

利用虛擬裝配功能模塊進行組件加工過程的數控編程設計，先依照預先設定好的加工順序完成組件的添加，執行具體加工工序。隨后結合粗加工、精加工選中的刀具建立父級組件，分別輸入刀具參數，在粗加工環節，根據工件尺寸、刀具類型，選用型腔銑加工模式;在半精加工環節，結合粗加工預留殘余量，運行深度五軸銑加工工藝;在精加工與清角環節，根據工件尺寸與加工材料，選擇可變軸曲面輪廓加工模塊。接下來建立工件加工坐標系，設置葉輪前傾角、側傾角，避免后續刀具運行過程中出現干涉碰撞問題，確保將工件各表面全部加工到位，并通過調節殘余高度完成曲面的驅動，借此有效控制刀具運行軌跡，提高葉面加工精度。最后運行組件加工程序，收集不同環節的切削參數，如將銑削粗加工環節殘余量0.6mm、公差0.03mm輸入UG軟件中，經由程序運算后自動生成加工方法組，形成優化后的刀具運行軌跡，進入后續仿真環節。

2.4仿真分析與后置處理

在仿真分析環節，在機床構建器模塊中創建包含主軸、回轉工作臺及工裝夾具等部件的5坐標機床的運動仿真體系，選用立式銑削加工模式，建立不同組件的連接點與運動軸，并設置運動軸幅度與方向。隨后運行后置處理文件功能模塊，將軸限制的最大、最小值分別設置為120和-100，完成加工文件的添加與保存，并且在視圖窗口中調用庫類選擇模塊，將5坐標立式銑削加工數控機床模型導入。待完成五軸聯動數控機床程序裝載后，分別運行葉片加工程序，新建五軸后處理器執行節點操作，生成后置處理程序，并通過啟動文件獲取到程序片段，完成葉片加工。

結論：通過利用UG軟件建立數控多軸加工程序，根據待加工零部件的加工需求完成工藝參數的設置，充分利用刀具側刃進行工件螺紋面的加工，借助平底刀底面完成工件直紋面的加工，并且通過調節前、側傾角等工藝參數，有效防范在數控加工過程中出現刀具與工件干涉碰撞問題，為復雜零部件產品加工效率與加工精度的提升創設保障。

參考文獻：

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