基于UG的数控多轴加工工艺优化和工装夹具设计

张海峰，曹志峰，朱超奇

（苏州华旃航天电器有限公司，江苏 苏州 215129）

0 引言

本文中，介绍了两款批量较大的零件加工工艺，其中金属半环是一种形状复杂，而且容易变形的多面体零件，由于其特有的形状，造成了其难以装夹校正，零件容易变形弯曲等加工难点。而电机机壳是一种批量较大，表面质量要求很高的零件，如果按照传统加工方案，势必会降低零件的表面质量。此论文主要通过以下内容展开叙述：

利用UG/CAD模块，依次对金属半环和电机机壳这两款零件三维模型进行工艺分析，并且设计了两款零件在多轴数控加工中所需要的工装夹具。

利用UG/CAM模块，对两款零件进行多轴数控程序的编制。主要是基于机床四轴、五轴可以转动的特性，以专门设计的工装夹具作为依托，定制专用刀具，实现多轴定点加工。

利用UG的刀路仿真功能，进行数控程序的验证，判断刀具刀柄、工装夹具和零件三者之间是否有干涉过切现象。最后，对加工程序进行后置处理，生成NC程序。

1 概念

1.1 UG的CAD模块与CAM模块

UG软件有多个模块，其中CAD模块包括实体建模、特征建模、自由形状建模、工程制图和装配等。而CAM模块提供了对NC加工的CLSFS建立与编辑，提供了包括铣、车、线切割、钣金等加工方法的交互操作，可以用于三轴加工和五轴加工，还具有图形后置处理和机床数据文件生成器的支撑，同时又提供了制造资源管理系统、切削仿真、图形刀轨编辑器、机床仿真等仿真加工和辅助加工[1]。

1.2 多轴定点加工

多轴定向加工是一种常用的多轴加工应用方式。在加工时，通常采用转轴定位、三轴加工的方式，其多轴定位主要用于控制加工时的刀轴与编程坐标器Z轴的矢量相同，三轴加工是在定位后的编程坐标系中使用的三轴加工中的所有功能完成的零件加工[2]。

2 利用UG/CAD功能绘制零件的三维图、工装夹具的设计

2.1 两款零件数控加工工艺分析

两款零件成品如图1和图2所示：

图1 金属半杯样品

图2 电机机壳样品

（1）金属半环工艺分。零件的材料是铍青铜，它是将铍作为基本的合金元素的铜基合金材料，是适用于热处理的合金。铍青铜具有优异的机械性能、物理性能及化学性能，是一种重要的弹性材料，广泛用来制造弹性零件及其他重要零件[3]。

供应商提供的毛坯尺寸为：直径140mm且中空直径100mm。

原加工工艺：毛坯→半成品→时效热处理→轴向正面精加工→轴向反面精加工→径向侧孔精加工→内壁小孔精加工→线切割加工缺口

其中，在进行轴向正面和轴向反面加工时，需要自制一套夹具，但是这套夹具仅仅只能保证夹紧力，却无法保证重复定位精度，在每一件零件加工之前，需要校正水平和找正中心。在进行径向侧孔精加工时，需要另外制作一套夹具，实现四轴加工。

由于零件形状呈半圆环形，半成品经过时效处理释放应力后，有一定程度的变形，每一次装夹找正的效果都无法控制，报废率较高。

这一套工艺方案，需要对零件进行多次定位装夹，这就需要多次改变零件的定位基准，如果加工过程中既采用不同的定位基准，又采用不同装夹方式，很容易造成零件形位误差和定位误差的积累，此外，每次装夹的夹紧力也不统一，更容易造成零件变形，从而影响后续的加工精度。

五轴加工过程常用的方式是，在两个旋转轴（ABC中的两个）的矢量方向确定后，3个直线轴（XYZ）做三轴联合运动完成零件加工。这种加工模式能够提高生产效率，减少装夹次数，避免零件的安装误差。如果利用五轴转台，采用五轴定点加工，可以有效的解决多次装夹带来的难题，只需要一次装夹，就可以完成大多数需要加工的型面。如此一来，面对大批量的件数，避免了人员重复的调试，既保证了产品的精度，又降低了人员劳动强度和调试时间，提高了生产效率。

改进后工艺：毛坯→半成品→时效处理→五轴精加工→线切割加工缺口→线切割去除“底座”

需要设计一套定位装夹系统，这套系统可以实现定位和锁紧，并且定制长柄T型刀，利用五轴转台，可以实现轴向正面、轴向反面、径向侧孔、内壁小孔同时加工。

（2）电机机壳。零件的材料是：2A12铝材，主要用于制作高负荷零件和构件，如飞机上的骨架、隔框、翼肋、翼梁等，来料是由车床加工而成的半成品。

原加工工艺：三轴端面加工外形及孔、槽→三轴加工侧面孔槽，但是，在实际的生产加工中，电机铝壳体后端盖零件加工铣削分成两次装夹，生产效率较低，而且装夹过程中容易夹伤、划伤，难以保证产品的表面质量，因外观质量问题已出现多次返工返修，不良率接近20%。

因此，客户提出要求：提高铝壳体零件的加工效率和良率。要求工艺改进，将铝壳体铣削生产效率提升70%左右，加工合格率由80%提升到95%左右。

（1）通过对铣削加工过程进行调查，发现铣削过程使用虎钳夹持零件进行加工，加工一个零件要反复装夹两次，铣削第一序需15分钟/件，铣削二序需17分钟/件，整体加工周期较长。

（2）铣削加工在反复装夹的过程中，由于使用虎钳加持的过程中，操作稍有不小心，可能对电机铝壳体零件表面造成划痕、压痕等问题，这主要是铝制零件表面极易出现划伤，防护周转要很小心。

改进后工艺：毛坯（车床加工而成的半成品）→成品

通过生产验证，使用改进后的方法可以使电机铝壳体零件加工效率由15件/天，提高到33.10件/天，加工效率提升约120%，目标实现。同样通过生产验证，使用改进后的方法可以使电机铝壳体零件加工合格率由80%提高到100%，目标实现。

3 专用夹具的设计

3.1 金属半环

基于UG/CAD模块，对金属半环半成品以及工装夹具进行建模设计。需要对金属半环的外形预先留余量，单边预留2mm，防止人工时效处理后变形。在底部加入一个“底座”，后续的5轴加工，需要用到这个“底座”进行定位，用5颗M5平头螺丝将“底座”连同半成品零件采用锁紧的方式固定在5轴夹具上。如图3所示。

图3 锁紧的方式固定图

3.2 电机机壳

基于UG/CAD模块，对电机机壳工装夹具进行建模设计。如图4所示，这套工装夹具是为了满足四轴加工，夹具上分布了4个工位，每个工位配有一个定位孔，采用螺丝锁紧的方式固定。

图4 建模设计图

4 利用UG/CAM模块，对两款零件进行多轴数控程序的编制

4.1 数控加工机床的选择

根据零件的外形、精度要求以及工艺路线选择适合的数控机床。其中，金属半环采用五轴加工中心进行加工，电机机壳采用四轴加工中心进行加工。除此之外，所有的工装夹具都需要用数控加工中心进行加工。

利用五轴、四轴加工中心在加工时，只需要一次装夹，就可以完成大多数的加工要素，在加工过程中，定位基准始终保持统一，不再有定位误差的累计，从而避免了因零部件多次装夹所造成的精度降低。

4.2 加工刀具的选择

在数控加工中，刀具的选择直接影响了零部件的加工范围和加工质量。两款零件除了常规的立铣刀、钻头之外，还需要特别定制相应的T型刀、“反倒角刀”和内R刀[4]。

4.3 数控刀路的编制

采用UG自适应铣削，进行外形铣削粗加工。该命令在UG12.0版本正式推出，充分利用铣刀侧刃进行铣削，切削深度可以是铣刀直径的2~3倍，不需要在Z轴方向进行分层切削，主要用于高速切削粗加工，材料去除效率非常高。

5 利用UG的刀路仿真功能，进行数控程序的验证

5.1 刀路仿真模拟

利用数控刀路2D刀路仿真，可以通过模拟加工动画演示，判断所有刀路的准确性和可靠性、加工程序的切削顺序，以及检查是否发生过切现象[5]。

在UG软件加工模块中，右击要验证的程序组，在刀轨确认中，可以进行2D刀路仿真。

5.2 后置处理

在本文中，主要介绍了两款零件的加工工艺和工装夹具设计思路。不同的数控系统对NC程序格式有不同的要求，UG软件提供了一个性能优异的后置处理工具Post Builder，利用它可以将前置处理产生的刀位数据文件、加工工艺参数与特定的机床特性文件、定义文件相结合，生成指定数控加工设备能够识别的数控加工程序，该过程称为后置处理（post-processing）。

6 结语

在文中提到的多轴数控加工工艺应用前景非常广泛，而本文只提到了两款零件的加工工艺，一种是形状复杂、难以定位装夹的易变形零件，一种是批量大、表面质量要求非常高的多工序零件，两者都是基于UG/CAD与UG/CAM进行零件以及辅助工装夹具的三维体模型构建、工艺分析、复杂零件的多轴数控加工程序编制和多轴机床加工模拟和最后的后处理等方面进行研究。

两款零件的形状不是特别复杂，但是其加工工艺的原理非常具有代表性。文中提到的工装夹具、多轴转台，其实就是为了减少人工装夹调试的时间，减轻人工的劳动强度，实现效率、合格率双重提升。

对于其他一些要素，例如：铍青铜材料的切削性能和时效处理的参数、UG编程中切削参数，UG数控程序后置处理器的具体应用等，本文中没有过多的论述。也希望在今后的工作中，加强这些方面的知识研究学习。