基于UG三维软件下的数控五轴加工

焦翠丽

（江苏省泰兴中等专业学校，江苏 泰兴 225400）

基于UG三维软件下的数控五轴加工

焦翠丽

（江苏省泰兴中等专业学校，江苏 泰兴 225400）

文章就数控五轴机床特点、数控五轴加工零件特点进行分析，就如何运用UG软件实现五轴加工零件设计、加工仿真、后置处理等进行阐述，指出五轴加工研究与运用的重要性。

UG；五轴；叶轮

五轴加工一般用于较为复杂的零件曲面，如叶轮片、模具、螺旋叶片等具有复杂曲面且精度较高的零件，采用基于UG三维软件下的建模、刀路形成及仿真加工能提高加工效率，确保零件加工质量。

1 特殊曲面形状的零件加工分析

特殊曲面形状零件造型复杂多变且其工艺要求较高，如叶轮片在设计中需考虑空气动力学及液体动力学对其的影响。在产品的形成中，设计与制造过程密不可分，如果采用简单的三轴数控铣床加工，常采用球头刀具分层加工，但加工后的零件表面质量较差，精度较低，实际使用时会产生气蚀破坏。所以特殊的曲面形状的设计必须依靠三维软件生成，并通过软件的优化最终形成理想的曲面形状。实际加工中，软件生成的程序及刀具轨迹（刀路）一般不受五轴数控机床的限制，其刀路安全性及加工可靠性要予以高度重视，较为常见的缺陷是过切或欠切以及刀具与机床、刀具与夹具体之间的干涉碰撞。解决的办法可以采用试走刀试切削的方法予以修正，也就是刀具对腊毛坯或尼龙毛坯进行真实切削，找出存在的问题。一次的试切削不一定能完成加工，另外由于加工体不一样，实际切削钢件制品存在着新的问题，所以试切削加工的效率极低。而采用UG仿真下的试加工，将夹具、刀具、工件等显示出来，通过刀路模拟，能安全快速地检验加工过程的可靠性。

五轴加工零件中最具代表性的曲面零件是三元叶轮。三元叶轮是指应用三元流理论设计、制造的叶轮，三元叶轮在设计时，根据期望的液体流场计算出叶轮形状及相关几何尺寸，采用任意曲面形状的叶片，叶片在流动和高度两个方向是弯曲的，形成空间三维扭曲形状，这种叶轮的叶片在空间上是扭曲的，与气体的实际流动更相适应，其工作效率与普遍叶轮相比更高。在设计中叶片多采用不可展开的扭曲形状直纹面,这种形状只能采用五轴机床加工。相邻叶片间距小，叶片间形成径向变化的小通道，极易导致刀具与相邻叶片间发生碰撞干涉，刀径小导致刀具刚性不足，叶轮叶片较薄，加工时工件极易产生变形。三元叶轮的轮毅和叶片采用同一毛坯体上进行整体加工，其曲面形状复杂，曲面参数约束条件较多,加工难度大,加工过程中最易发生干涉现象，是五轴数控加工中的典型零件。

2 五轴数控机床的特点

一般三轴加工中心工作台可以执行X及Y方的移动，保证工件的X和Y坐标参数，配以刀具上下Z方向移动实现工件顶面轮廓的加工。五坐标是指在三轴加工中心基础上，增加工作台绕X轴和Y轴的两个转动，依靠新增的两个转动联合刀具的运动可以实现工件五个顶面的加工。对于依靠立式主轴旋转的五轴坐标机床，在工件加工时，主轴的旋转配合刀头的旋转类同于人的手臂，其合成的运动可使刀具轴线的方向在一定的空间内任意自由控制，在保证最优级削状态的同时，有效地避免刀具与夹具及机床等的干涉。五轴数控机床因其加工时刀头运动的复杂性，能使刀具刀刃与工件表面处于最佳接合切削状态，例如在采用球头刀切削工件时，能避免球头刀底部一直切削，能顺利地实现复杂曲面轮廓的加工。在加工中，由于采用一次装夹，实现多表面，多工序一次加工，加工效率高，各表面间的位置精度也得到了保证。加工时刀具切削量均匀，刀具作用力恒定，加工后的零件曲面精度高，整体切削余量均匀，零件表面误差小。

3 UG软件与五轴加工零件设计

在复杂曲面零件设计中，采用UG三维软件是最经济合理的手段。首先必须将曲面上每一条曲线的数据点的坐标值保存为dat格式的文件；然后在UG建模里选择曲面样条线，依据数据点将多段样条构建出，生成叶片曲面中性而把叶根和叶顶曲线；再选择构造好的样条曲线生成叶片曲面，将叶根曲线采用旋转指令生成轮毂曲面；最后用构造好的的叶片中性层曲面剪切毛坯实体,生成所需模型设计形状。

构建好零件形状后，需选择刀具夹具，设计好刀具、夹具体形状，这可以从库中直接调用，也可以根据实际形状进行零件造型设计，设计的目的是仿真及避免干涉。

4 UG软件与五轴加工

UG软件在加工零件前须实现仿真处理，并生成后处理程序。仿真运动可以实现真实加工的可视化，对五轴加工过程进行仿真验证一般过程是建立零件毛坯、夹具及刀具的实体模型，选择加工模式，设定加工路线及加工参数，进行计算机动态图形仿真检查加工路径是否正确，加工过程是否顺利，加工是否会发生干涉碰撞现象。这种仿真加工快速安全可靠，有较强的实际模拟加工效果。

仿真时可采用UG软件对夹具工件等进行三维造型及装配，并可检查装配中的干涉问题，灵活地运用软件数据库，调用不同的刀具夹具毛坯形状，也为实际加工不同的零件提供了更多的方便快捷选择，也可将新建立的模型导入UG软件数据库，为后期加工和设计管理提供参照依据。

模拟仿真成功后，就可以生成后置处理程序。后置处理的任务是根据具体机床结构和控制指令格式,将前置处理中计算得到的刀位数据变换成机床各轴的运动数据，并按其控制指令格式转换成为数控机床的加工程序。

在采用UG软件进行五轴加工时，最为重要的是加工方式的选择。例如叶片在五轴加工中，属于薄壁件，且靠近头部厚度值更小。在加工过程中，除了要分粗精加工外，整体加工要分开处理，叶片圆头部分可以单独加工形成，轮毂也可采用其他加工方式单独处理，而叶片圆头和曲面要分开加工，实现多次精加工成型。

对UG软件实现CAM辅助制造过程中，数控编程操作节点很重要,加工方式和加工路径的不同选择会产生细微或者较大的变化，在实际使用中，要予以区别。

5 结语

五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！

[1]马武，李映平，杨锦斌.浅析五轴加工中心数控编程技巧[J].制造技术与机床，2009，（2）.

[2]燕红波，杨庆东，刘芳.五轴联动的数控加工技术的研究及应用[J].机械工程师，2007，（5）.

[3]罗中华.多轴铣削定位加工手工数控编程的研究[J].机械工程师，2009，（1）.

Five-axis NC Machining based on UG 3D Softwares

JIAO Cui-li
(Jiangsu Taixing Secondary Polytechnic School,Taixing,Jiangsu 225400,China).

The paper made an analysis on the characteristics of five-axis nc machine tools and the characteristics of CNC five-axis machining parts characteristics,and made an elaboration on how to use UG software to realize the design for five-axis machining parts,simulation and post processing,and pointed out the importance of the researches and application of five-axis machining.

UG;five-axis;impeller

TG659

A

2095-980X（2015）02-0078-01

2015-01-14

焦翠丽（1984-），女，江苏泰兴热，大学本科，主要研究方向：数控技术。