五轴加工工艺与优化

时间:2022-03-15 03:17:03

五轴加工工艺与优化

1前言

五坐标机床功能强大、加工效率高、质量好,在复杂曲面数控加工领域,具有独到之处.CAD/CAM建模、仿真加工以后,分析工艺、碰撞、过切、欠切等问题.图1为基于UG和VERICUT的五轴加工设计、仿真与优化的流程图.

2零件三维

CAD模型参考设计图纸,分析零件及曲面详细尺寸,计算节点数据,绘制曲线、曲面,构造零件CAD模型如图2.

3零件UGCAM设计

3.1确定复杂曲面零件加工工艺方案根据零件的CAD模型,分析曲面形状,尺寸特点,采用粗加工、半精加工和精加工加工方案,结合UGNX10.0提供的CAM工序类型确定该零件的工艺方案如表1所示.3.2规划刀具路径UGNX10.0的CAM主要包括创建刀具、设置机床坐标系、工序设计(如图3)等,其中工序设计是一项较为严谨的工作.利用“可变流线铣(VARIABLE_STREAMLINE)”方法精加工槽侧面时,需要设置的参数较多,如“刀轴”参数的“轴”设置为“相对于驱动体”,“前倾角”设置为“0”,“侧倾角”设置为“-67”.图4机床组件树工序内容UGCAM加工类型刀具粗加工外形型腔铣(CAVITY_MILL)平底立铣刀D12半精加工剩余剩余铣(REST_MILLING)平底立铣刀D6精加工槽一侧可变流线铣(VARIABLE_STREAMLINE)球头立铣刀R2精加工槽底固定轮廓铣(FIXED_CONTOUR)球头立铣刀R2精加工槽另一侧可变流线铣(VARIABLE_STREAMLINE)球头立铣刀R2表1加工工艺方案3.3后置处理刀位文件不能直接被数控机床识别,须经过后处理转化为指定数控系统的程序,才能在相应机床上运行,完成加工任务.现生产单位拥有DMU60t机床若干台,配备HeidenhainiTNC530控制系统,结合生产现状,UGNX10.0后处理文件须满足该五轴机床一摆头(B轴)、一摆台(C轴)结构和海德汉控制系统的要求.将与机床结构及系统相适应的后处理文件B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl和B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def拷贝至UGNX10.0后处理文件目录“\NX8.5\MACH\resource\postprocessor”中,使用记事本打开该目录中的template_post.dat文件,在文件的最后添加一行内容:“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530,${UGI-I_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_IT-NC530_POST.tcl,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.def”,然后保存该文件,完成对后置处理的修改.这样,在UGNX10.0软件中就加了一个名字为“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530”后处理器.

4VERICUT仿真

4.1选择数控系统VERICUT仿真时使用的数控系统要与生产单位机床系统相一致,软件VERICUT7.2.3默认数控系统为fan30im,须修改为软件库中hei530数控系统.4.2建立机床模型按照运动模块构建机床的外形模型时,不需要考虑机床主轴等部件的内部传动机构,同时将不产生运动的部件和底座简化为机床本体进行整体建模[4].DMU60t机床有两大传功链,他们分别是主运动传动链和进给传动链.主轴带着刀具绕着B轴旋转,并且与Y向运动组件相连,Y向运动组件又和X向组件相连,形成主运动传动链.毛坯装夹在C向转动组件上,该组件和Z向运动组件相连,共同构成毛坯进给传动链.在组件树ComponentTree依次定义机床部件,添加顺序为Base→X→Y→B→Spindle,Tool→Base→Z→C,从而得到机床组件树如图4所示.创建过程中,根据机床实际参数设置X、Y、Z、B和C轴的快速移动速度、最大进给速度等参数.4.3添加机床几何模型分别选择对应组件中的模型节点,在“添加模型”选项中选择“模型文件”,依次添加机床模型文件.在“JAWS(即夹具)”节点之下添加“Stock(即毛坯)”“Design(即设计)”节点及它们的几何模型,如图4所示.4.4机床参数设定恰当的机床参数对VERICUT仿真至关重要.选择“配置”“机床设定”菜单命令,依次设置机床的碰撞检测、机床零点、行程极限、轴优先等参数[1-3].除了以上参数外,还要对B、C轴旋转运动进行设置,选“配置”“控制设定”菜单命令,设置B、C轴旋转台型为“EIA(360绝对)”.4.5其他准备工作坐标系统和程序零点的设置.对于坐标系统,设置“附坐标系”到“Stock(工件)”;对于程序零点,子系统1程序零点,“偏置名”设置为“程序零点”,同时选择从“B”“组件”到“Csys1”“坐标原点”定位.创建加工刀具.根据表1的工艺方案,创建4把刀具,其中3把直径分别为16、12和6毫米的平底立铣刀,1把直径为4毫米的球头立铣刀.UG后处理生成程序及VERICUT添加程序.在UGNX10.0中分别对六个工步(见图3)进行后处理,选择前文设定的后置处理器B_HEAD_C_TABLE_ITNC530,输出NC程序.在VERICUT7.2.3中,选择“数控程序”节点“添加数控程序文件”载入NC程序.4.6仿真加工准备工作完成后即可启动VERICUT仿真加工,该零件仿真加工效果如图5所示,由图可见,在槽的上边缘存在较为严重的过切现象,而此处在UG仿真加工时是不存在过切的,原因是VERI-CUT仿真引入机床、刀具及工装系统,更加贴近现实.设置过切、欠切公差均为0.01mm,并用颜色加以区分,颜色较深的位置表示过切或欠切,利用软件将仿真加工结果与原设计模型进行分析比较,得到图6(a),由图可见,工件不仅存在过切现象,在曲面曲率较大位置还存在较为明显的欠切问题,故零件不合格.合格零件必须满足设计要求,过切和欠切均会影响零件的外观或使用功能.由图1可知,若零件仿真加工不合格,须对零件CAD造型或CAM设计等不妥当的部分进行优化设计.仔细分析VERI-CUT仿真过程后发现,过切出现在“剩余铣(REST_MILLING)”工步,在UGCAM设计中选用“型腔铣(CAVITY_MILL)”代替“剩余铣”,同时须设计“型腔铣”“切削参数”,将“参考刀具”选择为“D12”平底立铣刀,即可利用型腔铣方法实现剩余料的半精加工.零件欠切也是不允许的,分析欠切的位置可知,大部分的欠切与槽侧精加工“可变流线铣”工步有关,修改该工步的“刀轴”参数,将“侧倾角”由“-67”修改为“-60”.重新后处理生成程序,在VERI-CUT中添加相应程序进行仿真加工,由仿真效果图可见,过切情况已不存在.设置过切、欠切公差为0.01mm让仿真结果与设计模型进行自动比较,分析结果如图6(b)所示.对比图6的a和b,进行CAM优化设计后,基本消除了过切和欠切现象,仿真结果能够满足要求.

5结语

借助UG和VERICUT实现复杂曲面的CAD建模、CAM设计、加工仿真和工艺优化.在虚拟环境中,实现机床的加工过程,校验了加工程序的准确性,避免了碰撞、干涉等现象,减少了过切、欠切等问题,采用虚拟制造技术,优化了生产工艺,降低了生产成本,对五轴机床加工有着十分重要的现实意义.

参考文献:

〔1〕陈文涛,夏芳臣,涂海宁.基于UG&VERICUT整体式叶轮五轴数控加工与仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2012(2).

〔2〕李芳,刘凯,王昊,等.基于VERICUT的双转台五轴数控微型铣床建模和仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2013(2).

〔3〕燕杰春.基于UG和Vericut软件平台的多轴数控加工编程与仿真加工研究[J].制造业自动化,2012,34(2).

〔4〕占刚,赵麒.基于UG与VERICUT虚拟数控加工仿真技术研究[J].热处理技术与装备,2012,33(6).

作者:范仁杰 余道阳 单位:1.铜陵职业技术学院 2.合肥工业大学