基于UG_CAM模块的构架加工系统化离线编程研究

庄 鹏

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

随着柔性化、智能化理论技术的发展，当今制造业向数字化、智能化发展越来越深入。UG作为一款产品全生命周期管理的CAD/CAM/CAE集成化软件，为制造业智能化发展提供有力支撑。UG_CAM模块具有强大的数控加工离线编程能力[1]，支持车、铣、钻等多种形式的加工离线编程，可充分满足构架加工需要。

构架是转向架的重要部件，它上承车体下连轮对，既是承载和传力的主体，又是装配转向架各零部件的骨架，需要加工保证足够的尺寸精度，以满足设计传力和装配要求。

构架为异形框架类结构，加工位置多、余量大、结构刚性较弱、刀具多样，加工工艺十分复杂。UG_CAM模块可为构架加工提供一套系统的离线编程解决方案，既可以提高编程效率，又可以保证加工质量，简化加工工艺。其系统化的离线编程流程如图1所示。

图1 离线编程流程

1 编程前准备

编程前需要对构架工艺进行分析，以确定加工刀具和顺序[2]，建立加工坐标系的原点和方向。创建构架加工专用的刀具库和加工方法库，以供所有项目编程调用。

1.1 分析构架结构

将构架3D模型导入UG_CAM模块后，根据加工图纸分析需要加工的结构，将加工特征分为平面、圆柱面、孔等，规划工步顺序和粗、精加工刀路，选用合适的刀具进行编程，在保证加工效率和质量的同时，要避免刀具与构架结构相互干涉。可使用UG自带编辑显示命令，用特定颜色标识加工表面，而且相同类型结构的加工表面用同一种颜色标识，这样既可以保证不遗漏需要的加工位置，又可以用相同切削参数和刀具一次性将同类型结构的加工表面加工完成。

1.2 建立坐标系

对于需要离线编程的构架，首先都应建立3d模型的工件坐标系(WCS)和加工坐标系(MCS)。WCS是在UG建模和加工模块十分常用的坐标系，可以在3d模型中实现方便精确的移动、旋转。MCS是加工的基准，是构架加工所有刀路点位的定位基准，因此精确建立MCS至关重要。MCS的位置选择须遵循设计基准、加工基准、测量基准相统一的原则。首先建立3d模型的WCS，然后设置MCS参考坐标系为WCS，就可以建立一个精确的MCS。接着在MCS中设置安全平面，以构架3d模型Z向最高面为参考，沿Z正方向偏移一定距离，一般设为100 mm，以指定安全抬刀的位置，避免撞刀。最后在MCS下的workpiece中指定毛坯，选取整个构架3d模型作为毛坯，便于后期对加工进行仿真。

1.3 建立刀库

进入UG_CAM模块，使用创建刀具命令，根据所需刀具和夹持器的名称、尺寸、描述等相关信息创建刀具，并存入指定刀具库中。根据车间目前的生产情况，所有构架加工刀具共超过40种，将这40余种刀具存入UG_CAM刀具库中，以后进行任何项目构架的离线编程都可直接调用刀具，无需临时创建刀具。

1.4 创建方法

创建方法就是设置刀具的进给和转速。构架采用模块化设计，且为同一种材料，因此所采用刀具的进给和速度较为固定，可以根据多种项目经验提前设置一系列实际加工时所用的刀具进给和速度，构架进行离线编程时，在创建工序的方法命令栏里直接选取预先设置的刀具进给和速度。

2 构架离线编程

根据构架加工特征，在UG_CAM创建工序命令下选择合适的工序子类型命令。一般用于构架加工的命令有平面铣、轮廓铣、铣孔、钻孔等，每编制一个程序可生成刀轨并仿真检查刀路是否能无过切完成加工。

2.1 铣平面

平面加工是构架加工最常见的一种加工形式，而UG_CAM模块提供了丰富的平面加工命令。平面铣(mill_planar)工序是UG_CAM模块中专为平面铣削加工设置的一个工序命令集，其中，带边界面铣功能可基本满足构架平面铣编程的需求。使用UG_CAM模块的创建工序命令，在平面铣命令集中选带边界面铣功能，依次选中所属程序集、刀具、加工几何体、进给方法，确定后即完成一次平面铣加工工序创建。在带边界面铣的详细命令设置对话框中，部件边界优先选用被加工面的边，中线或自定义边界线，然后指定已加工表面为底面，以避免过切，最后完成刀轨设置，以定义进退刀方式、每次进刀切削深度、刀具在切削区域间转移方式、步距等重要的刀轨参数。

轮廓铣(mill_contour)工序是UG_CAM模块中专为曲面或复杂型腔加工设置的一个工序命令集，其中，轮廓3d功能虽然主要用于复杂曲面加工编程，但因该功能的基本原理是沿部件边界走刀，因此可以拓展到构架平面铣编程中，同时编程效率较高。使用UG_CAM模块的创建工序命令，在轮廓铣命令集中选轮廓3d功能，采用和平面铣相同的设置，便可完成一次加工工序创建。相较于平面铣，轮廓铣无需进行底平面设置，可以采用混合铣的方式实现往复走刀。图2为采用轮廓铣命令生成的刀轨路径，平面铣和轮廓铣刀轨路径较为相似，故可实现相同功能。

图2 轮廓铣刀轨

2.2 铣圆柱面

部分构架存在直径270～320 mm的圆柱面结构，因为直径比一般孔大，且精度要求不高，所以不采用钻孔或镗孔的方式加工。UG_CAM模块有铣孔(hole milling)命令可实现用螺旋铣方式对这种圆柱面结构的加工，在平面铣(mill_planar)命令集中进入铣孔命令，在命令参数设置界面，选待铣圆柱面为几何体，选择螺旋切削模式，并设置螺距和切削参数、非切削移动，即可确认生成刀轨。图3为采用铣孔命令生成的刀轨路径。

图3 铣圆柱面刀轨

2.3 钻孔

构架是转向架各零部件装配的骨架，因此上面有多种装配用光孔和螺纹孔需要加工。孔加工(hole making)工序是UG_CAM模块中，专为各种孔加工设置的一个工序命令集，里面包含钻孔、镗孔、螺纹铣等功能，选择程序所属程序集、刀具、加工几何体、进给方法，并对所建工序命名，确定后即完成一次钻孔加工工序创建。在钻孔的详细命令设置对话框中，需要注意运动输出选机床加工周期，非切削移动中的逼近、离开类型中选择切削平面，可实现G18、G19平面钻孔。图4为采用钻孔命令生成的刀轨路径。

图4 钻孔刀轨

3 后处理

UG_CAM生成的刀位程序(CLSF文件)包含了所有的刀具几何、运动及机床动作等信息[3]，但这种程序不能被机床直接运行，需要将其转化成机床可识别的NC代码，这个转化的过程就是后处理。

使用UG通用后处理构造器可编制用于多轴数控机床的后处理程序，构架在车间里是用配有Siemens数控系统的三轴龙门铣机床加工，因此基于Sinumerik_828D_3axis后处理模板，修改为适合实际生产的后处理程序。在UG_CAM模块中，用工具栏后处理命令对工序进行后处理，就可生成NC代码用于构架加工。

4 结语

基于UG_CAM模块，从构架加工离线编程前工艺分析、程序编制到后处理得到NC代码，进行系统化研究，为用UG_CAM对构架加工离线编程制定一套系统化的方案，对提高构架加工编程效率、保证加工质量、简化加工工艺有较大帮助。