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

張志朋

(哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

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

1.1 四軸聯(lián)動加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

每行加工坐標(biāo)不高于4的加工工藝即為四軸聯(lián)動加工，其應(yīng)用的加工坐標(biāo)較少，因而會對零件刀路生成產(chǎn)生一定的限制。利用四軸聯(lián)動加工方式加工陀螺零件時，距離加工路徑較遠(yuǎn)的刀具可能會撞擊工件，導(dǎo)致刀桿失穩(wěn)現(xiàn)象，降低零件加工品質(zhì)。可在UG軟件的插補(bǔ)矢量功能基礎(chǔ)上，對不包含邊界位置在內(nèi)的其他矢量進(jìn)行刪除，將零件旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°，點(diǎn)擊F8鍵，單擊鼠標(biāo)左鍵以完成旋轉(zhuǎn)軸的固定，利用鼠標(biāo)調(diào)整零件旋轉(zhuǎn)位置，點(diǎn)擊其他矢量，確定視圖方向圖表，在任意空間位置處完成刀軸控制。此外，可在UG軟件的插值-光順功能輔助下，消除數(shù)控機(jī)床加速運(yùn)行時因速度變化不一所導(dǎo)致的刀具軌跡過度光滑的弊端，解決刀具及工件間的碰撞干涉問題。

1.2 五軸聯(lián)動加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

五軸聯(lián)動加工方式是以五軸聯(lián)動加工設(shè)備為核心，在其可變軸曲面輪廓功能基礎(chǔ)上完成陀螺零件加工，驅(qū)動方式以曲面區(qū)域選擇為主，以適合的刀軸為投影矢量，確保刀軸與驅(qū)動體保持垂直，通過向部件或驅(qū)動方式進(jìn)行插補(bǔ)角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動加工刀路的生成。應(yīng)用五軸加工工藝時，刀具及工件間的碰撞干涉問題仍然存在。因此，可借助UG軟件的插補(bǔ)矢量功能，結(jié)合四軸聯(lián)動加工工藝優(yōu)化流程，在零件旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)至180°、F8鍵點(diǎn)擊完成后，通過鼠標(biāo)移動，將位于區(qū)域邊界處的刀軸矢量方向調(diào)整至刀具處，此種優(yōu)化方式刀具及工件之間不會產(chǎn)生碰撞干涉問題。利用五軸聯(lián)動加工工藝及設(shè)備加工復(fù)雜的葉輪葉片時，可基于UG軟件的專用葉片加工模塊，確保五軸聯(lián)動加工刀路的快速生成。

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

2.1 數(shù)控多軸加工工藝

某風(fēng)力發(fā)電設(shè)備以硬鋁2A12作為葉輪制作材料，葉輪結(jié)構(gòu)為螺旋升角狀直紋面回轉(zhuǎn)體，軸向?qū)挾葹?.0 cm，最小曲率為R5。共有15個葉片，厚度范圍介于0.18～0.32 cm，形狀精度誤差應(yīng)控制在0.3 mm之內(nèi)。受到葉輪運(yùn)行環(huán)境的影響，可選用直徑為30.2 cm、長約12.2 cm的棒型硬鋁作為加工毛坯。可利用雙輪盤結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床作為加工基礎(chǔ)，精加工使用10.0 mm直徑的立銑刀，精加工利用直徑為6 mm的球頭銑刀。確保主軸方向與水平面呈90°，升高工件裝夾位置，以免刀具運(yùn)行時碰觸夾具。

2.2 基于UG軟件構(gòu)建零件三維模型

因葉片曲面形狀加工難度大、加工線路復(fù)雜，需要基于UG軟件構(gòu)建零件的三維模型。結(jié)合工藝規(guī)劃位置，依據(jù)夾緊方案確定的參數(shù)，基于UG軟件的虛擬裝配功能，遵循由下至上的設(shè)計(jì)原則，完成包含過渡毛坯、夾具及組件的完整性幾何模型。參數(shù)化建模過程中，添加床身組件，依次添加Y軸、X軸、Z軸，最后添加A軸、C軸組件，以完成建模(如圖1)。

圖1 基于UG軟件構(gòu)建的組件幾何模型Fig.1 Component geometric model based on UG software construction

2.3 數(shù)控編程

確定程序組。以各個加工操作的排列順序?yàn)榛A(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)配備的程序組管理控制各個加工操作環(huán)節(jié)。

加工模式選擇。根據(jù)所選刀具類型，對刀具參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。精加工時，以風(fēng)機(jī)葉輪尺寸為依據(jù)，選用與立銑刀匹配的型腔銑加工模式。半精加工輪轂與葉片時，應(yīng)選用與球頭銑刀匹配的深度五軸銑加工模式，消除殘余加工量。精加工輪轂、葉片及清角加工時，可選用基于球頭銑刀的可變軸曲面輪廓銑加工模式。

加工坐標(biāo)系創(chuàng)建。設(shè)定好刀具參數(shù)后，進(jìn)入加工坐標(biāo)系的創(chuàng)建環(huán)節(jié)。前傾角參數(shù)應(yīng)以5.0為宜。為確保刀具可完成所有葉面加工，防止刀具與工件產(chǎn)生碰撞，應(yīng)令側(cè)傾角比螺旋升角略大。為加強(qiáng)刀軌數(shù)量控制效果，提高葉面加工質(zhì)量，應(yīng)利用“殘余高度”取代曲面區(qū)域驅(qū)動方法中的“數(shù)量”。

創(chuàng)建加工方法組。加工方法組的創(chuàng)建應(yīng)以加工模數(shù)的切削參數(shù)為基礎(chǔ)，按照粗加工、半精加、精加工的順序進(jìn)行。如精加工時部件余量及公差分別為0.6 mm與0.3 mm，應(yīng)在加工程序明確、加工參數(shù)設(shè)定完成后，利用UG軟件進(jìn)行刀路軌跡的生成，對二維刀路進(jìn)行仿真分析。

3 基于UG的數(shù)控多軸加工工藝精度的可靠性處理

3.1 仿真準(zhǔn)備

仿真運(yùn)動部件創(chuàng)建。利用UG軟件應(yīng)用模塊中的機(jī)床構(gòu)建器創(chuàng)建主軸、旋轉(zhuǎn)臺、工件安裝部件等五坐標(biāo)機(jī)床運(yùn)動仿真運(yùn)動部件，完成加工機(jī)床運(yùn)動仿真體系的構(gòu)建。

創(chuàng)建仿真組件連接點(diǎn)、軸。以上一環(huán)節(jié)構(gòu)建的運(yùn)動仿真體系為基礎(chǔ)，創(chuàng)建運(yùn)動仿真組件連接點(diǎn)及運(yùn)動軸，以運(yùn)動仿真連接點(diǎn)作為坐標(biāo)系統(tǒng)，確保各運(yùn)動組件可有效連接，利用運(yùn)動軸調(diào)整機(jī)床軸向運(yùn)動幅度，實(shí)現(xiàn)方向控制。

后置處理文件創(chuàng)建與存儲。完成連接點(diǎn)、軸創(chuàng)建之后，基于UG軟件的文件創(chuàng)建工具創(chuàng)建后置處理文件，將軸限制的最大及最小值分別設(shè)定為120與-100，機(jī)床與軸中心之間的軸偏置設(shè)置為0，將此文件保存在五軸加工文件夾目錄下。以記事本格式打開安裝文件，對后置處理文件進(jìn)行添加與存儲。點(diǎn)擊機(jī)床視圖選項(xiàng)，彈出庫類選擇對話框之后，向模型庫中引入已設(shè)計(jì)完成的機(jī)床運(yùn)動模型，進(jìn)行機(jī)床裝載。

3.2 加工與處理

完成機(jī)床裝載之后，進(jìn)行精加工、半精加工、精加工輪轂與葉片，并進(jìn)行仿真，利用五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床后置處理器完成后置處理。基于UG應(yīng)用環(huán)境，選擇工序?qū)Ш狡鳎c(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)操作按扭，調(diào)取處理對話框，在處理列表中選中五軸后置處理器新建選項(xiàng)，將彈出的輸出框選中后點(diǎn)擊確定。完成五軸加工后置處理程序獲取之后，以記事本格式進(jìn)行文件啟動，生成風(fēng)機(jī)葉輪五軸加工程序片段。

4 結(jié)語

數(shù)控多軸加工設(shè)計(jì)中，應(yīng)有效利用UG軟件，通過傾角及高度參數(shù)的合理設(shè)定，有效規(guī)避多軸加工時刀具與工件之間的碰撞干涉問題，實(shí)現(xiàn)高效加工。