基于UG和VERICUT槽輪類4軸加工的仿真分析*

郭金山

(甘肅畜牧工程職業技術學院,甘肅 武威 733006)

0 引 言

槽輪是4軸加工工藝的典型代表,常用于航空航天、汽車和煤礦機械等行業。4軸機床加工是在2.5軸銑床上加入了旋轉軸,然后由3個直線軸和 1個旋轉軸組成插補運功。相對于5軸設備,其具有經濟實惠、操作簡單和適用率高等優點[1]。為了保證槽輪類零件輪片的粗糙度和尺寸精度,通常采用銑削和拋光工藝進行加工。然而,拋光工藝具有效率低和工作量大等不足。銑削時通常通過控制殘余量和過切量的方法提高拋光效率[2]。

企業對槽輪類零件進行量產時常因程序和工藝的不確定性造成毛坯浪費和機床碰撞等問題出現,所以合理的加工工藝是加工制造中急需研究和提高的環節。然而,加工制造中多軸加工程序較長,基本不能實現人工檢查。因此,為減少實際加工中出現的各類問題,需進行三維模擬加工。UG12.0 和VERICUT 8.0是數控加工中常見的輔助工具,通過使用UG和VERICUT相結合的方法能夠直觀地模擬加工過程中零件的銑削情況和各運動軸和機床的碰撞情況,并可實現對加工的程序的優化,減少空走刀路,使刀具切削受力更加均勻,從而在較短的時間內加工出精度更高和表面質量更好的零件,提高加工制造中零件的加工效率。

筆者以槽輪零件的銑削加工為例,通過UG軟件的CAM模塊編寫加工程序,生成詳細的刀路軌跡,然后利用VERICUT軟件對程序進行驗證,并在仿真計算過程中進行過切和欠切判斷,從而降低了加工工藝的開發成本,提高了實際加工過程中產品的生產效率。

1 輪片三維建模及曲面分析

以實際加工中毛坯完成車床粗精加工后剩余槽輪的銑削工序為研究對象,對輪片的銑削過程進行仿真分析。圖1為工件的三維模型,圖2標注了曲面建模中的引導線,圖3是槽輪曲面的高斯彩圖分析。

圖1 三維模型及編程輔助曲面 圖2 曲面建模引導線

圖3 曲面高斯彩圖分析

2 UG程序編制

2.1 加工前準備

如圖1所示,為了控制刀路軌跡,為進退刀做輔助,避免銑削進刀時的扎刀,軌跡生成前在槽輪中間做輔助面,以減少刀具崩刃,并保護刀具,提高刀具的耐用性。然后以輔助面為中心,通過“通過曲線組”、“等參數曲線”對輔助面左右各延伸10 mm。

2.2 規劃加工軌跡

輪片銑削的工藝流程為:毛坯經車床粗加工、車床精加工,4軸銑削槽輪,銑削粗加工,半精加工槽輪底、壁,精加工低、壁,最后拋光槽輪。其中粗加工、半精加工、精加工的加工殘留量分別為0.3、0.2、0.1 mm,經過拋光使工件達到粗糙度和尺寸的要求[3]。工件的加工工藝如表1所列。但輪片的銑削精加工余量不易控制,實際操作中容易出現過切現象,是槽輪加工的難點。

表1 銑削工序詳情列表 /mm

2.3 生成程序

利用UG對加工過程進行編程。首先創建刀具D10R1,D6R1,D4R2,D3R1.5;然后創建幾何體和加工工序,選擇可變輪廓銑(VARIABLE_CONTOUR),其中驅動方法為曲面驅動,投影矢量為刀軸,槽輪的深度為15 mm,設置的加工步距為30,每次切深為0.5 mm,從而保證機床平穩切削。并且輔助曲面左右各延伸10 mm,其中左邊保證銑削時進刀不直插工件,能夠保證刀具的安全。槽輪右端銑削時應測量其與三爪卡盤的距離,避免進退刀碰撞卡盤。為保證切削安全,同時設置好其中一個輪槽加工軌跡,通過變換和旋轉生成整體槽開粗程序。圖4為槽輪銑削的粗加工刀路軌跡,圖5為二次開粗側壁刀路軌跡,圖6為半精加工底面的刀路軌跡。

圖4 銑削粗加工 圖5 二次開粗側壁 圖6 半精加工底面

由圖5可知,整體開粗后槽輪特點為上寬下窄,其中槽壁上端的單邊余量約為4.2 mm,底端的余量為0.3 mm,故選擇D6R1的立銑刀二次開粗側壁,余量0.3mm。由于粗加工后槽底和側壁的余量還較大,故選擇D4R2的球刀進行半精加工,余量0.2 mm。由圖6可知,槽底的半精加工軌跡抬刀較多,為避免軌跡過切槽壁,在UG中設置側壁為檢查體,檢查體余量為0.1 mm。同時由于精加工對曲面的完整度要求高,曲面光滑,刀具選擇D3R1.5球刀,精加工余量為0.1 mm,刀路軌跡在半精加工的軌跡參數中修改刀具和參數即可。

修改后處理器對應FANUC加工參數,將生成的軌跡通過修改的后處理器進行后處理。導出程序。

3 VERICUT仿真

3.1 VERICUT 機床的搭建

建立的虛擬機床能夠最大程度模擬加工碰撞,檢驗程序的準確性。虛擬機床的行程配置如圖7所示,虛擬機床應盡可能匹配實際機床,此次研究的實際機床為FANUC 1160 立式銑床帶轉臺A軸。

圖7 機床的行程配置

銑削過程需要機床、夾具、零件、毛坯、刀具、程序,而虛擬加工也需要對應這些要素。VERICUT機床搭建的原理,如圖8所示,選擇控制系統為FAN150M。啟用數控程序前應確保工作臺及各運動軸的包含關系、模型與毛坯的關系,然后調用刀具庫和坐標系實施模擬加工,進一步分析碰撞、干涉、過切和欠切等情況。

圖8 機床控制原理圖

VERICUT結構為樹狀的拓撲結構,在模型中導入能夠識別的.igs毛坯文件,在Design中導入UG中設計零件文件,其中Design中建立的坐標系與UG加工坐標系一致,工作偏置寄存器設置與實際加工坐標系一致[4]。機床樹的搭建及機床模型及加工圖如圖9、10所示。

圖9 機床樹的搭建 圖10 機床模型及加工

3.2 參數和刀具設置

在利用VERICUT進行仿真控制時發現,其視圖窗口能夠很好地顯示零件加工的全過程,并且能根據模擬觀看需求實時設置視圖的顯示模式,同時根據機床設定VERICUT的基本參數。刀具是加工中必不可少的工具,在設置刀具時應盡可能與實際加工中刀刃的長度、刀柄直徑和長度保持一致,并且應確保設置的刀具圓角與UG中加工的刀具一致。圖11為刀具庫的構建過程。

圖11 刀具庫列表圖 圖12 加工程序列表

3.3 程序的導入和仿真

對程序的準確性進行檢驗,然后觀察切削過程是否存在碰撞,最后驗證加工刀路和余量,特別是曲面加工中的加工過切與余量。由于常規的后處理程序無法估算余量和過切,因此利用 VERICUT進行仿真[5]。

如圖12所示,將UG生成的程序導入VERICUT,并在仿真中打開碰撞檢查和行程極限。由于VERICUT的仿真動態能夠顯示加工刀路和余量,故當程序出現設置錯誤時用戶能夠及時調整修改。通過對比設計模型和半精模型(圖13)能夠清楚地判斷刀具出現過切,此時返回UG,對刀具和材料進行重新設置,并對加工工藝進行force優化,確保優化后的程序能夠使刀具切削受力均勻[6],隨后將程序導入VERICUT繼續驗證,直至沒有過切。

圖13 設計模型與半精后的模型對比

3.4 仿真結果分析

仿真結束后,利用VERICUT中的自動比較功能對仿真結果進行過切和欠切分析。將過切公差和殘留公差均設置為0.15,殘留誤差為0.01～0.02。通過仿真結果可以看出,過切公差和殘留公差小于0.15 mm(如圖14),程序滿足加工要求[7]。

圖14 切削報告與殘余量與過切點注:(b)圖中灰色點為過切點

圖15為優化后的工藝,其過切和殘留公差為0.1 mm,小于標準公差(0.2～0.5 mm),加工尺寸精度較原始工藝有較大提高。

圖15 切削報告

4 結 語

利用UG和VERICUT軟件對槽輪進行仿真研究,在VERICUT中搭建了FANUC 1160 的4軸銑床,并對后處理程序和槽輪曲面的過切和欠切進行驗證。槽輪優化加工過程的仿真分析,減少了車削表面的劃傷,提高了產品加工的效率和合格率;槽輪曲面的銑削分析降低了拋光工序的工作量與工件損失,能夠為實際加工前的檢查和修改提供技術支持。