五轴加工工艺设计与优化

范仁杰，余道阳

（1.铜陵职业技术学院 机械系，安徽 铜陵 244061；2.合肥工业大学 机械与汽车学院，安徽 合肥 230009）

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.

图1 工艺设计、仿真与优化流程图

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.

图2 零件CAD模型

3 零件UG CAM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UG NX10.0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

UG NX10.0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3 零件工序设计

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DMU 60t机床若干台，配备Heidenhain iTNC 530控制系统，结合生产现状，UG NX10.0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 UG NX10.0后处理文件目录“NX 8.5MACH esourcepostprocessor”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,${UGII_CAM_POST_DIR}B_HEAD_C_TABLE_ITNC530_POST.tcl,${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UG NX10.0软件中就加了一个名字为“B_HEAD_C_TABLE_ITNC530”后处理器.

4 VERICUT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].DMU 60t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Component Tree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.

图4 机床组件树

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UG NX10.0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VERICUT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.

图5 VERICUT仿真效果

图6 工艺设计优化前后仿真结果对比

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VERICUT仿真过程后发现，过切出现在“剩余铣（REST_MILLING）”工步，在UG CAM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VERICUT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.

〔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).