基于UG 和VERICUT 的五轴加工中心数控加工与仿真研究

刘 江 然

(石家庄职业技术学院 机电工程系,河北 石家庄 050081)

近年来,随着我国智能制造技术的不断发展,机械制造业已由传统的单件小批量生产模式转变为自动化生产线订单式加工模式.普通的数控机床已经不能满足生产线的精细化技术要求,建设四轴、五轴数控加工中心的需求越来越强烈,尤其是一些中小企业,普遍开始装备多轴加工中心,用来加工形状复杂和精度要求较高的曲面类零件,以提高企业的竞争力.

多轴数控加工机床价格昂贵,是普通数控机床的几倍甚至几十倍,一旦出现设备故障,将会产成较高的维修成本,影响生产效率.这就要求企业在实际生产前,严格审核加工工艺的准确性和加工程序的可行性,避免在实际加工中出现误差和故障,造成经济损失.作为多轴加工的辅助工具,UG(编程软件)和VERICUT(数控加工仿真软件)能够在多轴数控加工过程中进行模拟仿真,优化加工程序和加工工艺,减少机床碰撞、过切、少切、故障等现象,提高加工效率[1].

本文以华中8型系统的JT-GL8-V 五轴加工中心(带A轴、C轴)(以下简称“华中五轴”)为研究对象,以加工环绕基座零件为例,研究基于UG NX 10.0和VERICUT 8.2.1软件构建华中五轴机床的仿真模型,构造该机床的后处理器,通过UG NX 10.0创建刀路轨迹,生成程序代码,设置华中五轴数控系统及加工件对应的毛坯、刀具、坐标系等内容,进行数控仿真加工.

1 制订加工工艺

1.1 环绕基座零件分析

环绕基座的加工面主要由曲面、圆弧面、端面和孔构成,主要加工内容为曲面加工、平面加工和铣孔.分析零件的加工图纸知,毛坯应选择Φ80 mm×50 mm 的圆柱棒料,材料为45号钢.

1.2 环绕基座零件的工艺分析

按照加工工艺的原则,环绕基座的加工顺序为粗加工→半精加工→精加工.粗加工采用“型腔铣削”工序,选用大直径、大背吃刀量、高转速的加工方法,快速去除毛坯件上多余的材料,提高开粗效率.半精加工采用“平面铣削”工序,进一步去除毛坯余料,为精加工留好均匀的余量,加工过程要兼顾加工表面的质量和加工效率.精加工采用五轴联动,选用“可变轮廓铣”工序,去除半精加工过程的余量,保证加工零件的尺寸、精度、表面粗糙度等技术参数合格,确保加工产品符合图纸的技术要求[2].加工难点是环绕基座零件的曲面设计复杂,属于典型的多轴数控加工产品案例,需要选用球头铣刀多轴联动加工,加工精度要求环绕曲面的表面粗糙度Ra≤1.6μm,其余表面粗糙度Ra≤3.2μm.

1.3 制订加工工序卡

环绕基座零件曲面的工序复杂,应选择五轴加工中心进行加工,结合车间设备的实际情况,本研究选用华中五轴(HNC-848B数控系统)进行加工,夹具选用自动定心的三抓卡盘,遵循先粗后精的加工原则,粗加工采用“型腔铣”加工工序,精加工采用“五轴联动精铣”加工工序[3].零件加工程序单见表1.

表1 零件加工程序单

2 编制加工程序

按照加工程序单,利用UG NX 10.0 软 件,根据数控加工流程对加工零件进行模型创建.进入加工环境模块,创建NC(Numerical Control,数字计算机控制)操作,再利用软件中的“mill_contour”和 “mill_multi-axis” 模块(见图1)功能中的“型腔铣”“可变轮廓铣”“固定轮廓铣”等工序指令,完成加工件的刀路轨迹设计,生成仿真刀路轨迹.利用后处理器生成NC代码.

图1 加工环境选择截图

2.1 创建几何体

创建几何体主要是定义要加工的几何对象(包括部件几何体、毛坯几何体、切削区域、检查几何体、修剪几何体)和指定加工零件几何体在数控机床上的机床坐标系.

首先,创建机床坐标系.检查机床坐标系与参考坐标系的位置和方向是否相同,将参考坐标系、机床坐标系、绝对坐标系尽可能统一到同一位置.在加工操作导航器空白处,单击鼠标右键,选择“几何视图”,双击“MCS_MILL”,弹出坐标系设置对话框,设置加工坐标系.其次,创建安全平面.安全平面的设定可以选取模型的表面或者直接选择基准面作为参考平面.本研究选取模型的上表面为基准面,指定切削的安全距离为50 mm.同时在“WORKPIECE”对话框中,设置“指定毛坯”“指定部件”等参数,创建工件几何体和切削区域几何体,见图2.

图2 加工件几何体设置截图

2.2 创建刀具

在创建刀具前,必须设置合理的刀具参数或直接从刀库中选取合适的刀具,因为刀具的定义直接关系到加工零件表面质量的优劣、加工精度及加工成本的高低.

单击右键,在加工工序导航器中选择“机床视图”,在“机床视图”中单击工具条上的“创建刀具”,按表1加工程序单中所列刀具的参数信息,创建D10的立铣刀,刀具号、刀具补偿寄存器均选择T01,用于粗加工;创建D6的立铣刀,刀具号、刀具补偿寄存器均选择T02,用于清根加工;创建D4的立铣刀,刀具号、刀具补偿寄存器均选择T03,用于孔铣加工;创建D6的球头铣刀,刀具号、刀具补偿寄存器均选择T04,用于曲面加工,见图3.

图3 刀具参数信息选择截图

2.3 创建工序,生成刀路轨迹

刀路轨迹是指在图形区域中显示已生成的刀具运动路径.每个加工工序所产生的加工刀具路径、参数形态及适用状态有所不同,所以设计者需要根据加工零件的图纸及工艺技术要求,选择合理的加工工序.依据加工工艺要求,精准设计加工过程中的“刀轨设置”“加工策略”“投影矢量”“驱动方法”“切削参数”等每一个工序,生成加工零件的加工刀路轨迹.可以通过仿真加工来显示刀具对毛坯除料的动态模拟过程.

2.3.1 零件粗加工

在UG NX 10.0 应用模块中,选择加工模块,进入加工环境,在插入工具条中单击创建工序,选择“mill_contour”中“型腔铣”工序类型.“型腔铣”主要用于粗加工,可以切除大部分的毛坯材料,以固定刀轴快速而高效地粗加工平面和曲面类几何体.在刀库中选择加工工序要用的刀具,显示刀具和几何体,设置刀具路径、切削参数、非切削参数、进给率和主轴转速,最后生成刀路轨迹,见图4.加工零件的反面粗加工与正面的加工方法相同.

图4 零件正面粗加工参数设置和刀路轨迹截图

2.3.2 零件精加工

精加工利用的是“可变轮廓铣”加工工序,也需要设置加工工序要用的刀具,显示刀具和几何体,设置刀具路径、切削参数、非切削参数、进给率和主轴转速等.“可变轮廓铣”工序还需要设置驱动方法选择曲面,投影矢量选择“刀轴”,“刀轴”选择“垂直于驱动体”.所有参数设置完成后,点击“生成轨迹”,即可生成刀路轨迹,见图5-7.

图5 旋转曲面精加工刀路轨迹截图

图6 曲面轮廓精加工刀路轨迹截图

图7 整体精加工刀路轨迹截图

2.3.3 定制后处理器与生成加工程序

在工序导航器中选中一个程序组或者一个加工工序后,通过后处理器来处理刀具路径,从而生成数控机床能够识别的NC 程序.特定的数控机床需要定义其本身的事件处理文件,通过“Post Builder”构建适合特定机床的后处理器.数控机床后处理器的定制涉及很多内容,如机床参数、数控系统、零件的加工工艺要求等,不同的机床、不同的系统对应的后处理器不一定通用,需要根据加工零件和加工工艺来定制后处理器.

进入UG NX 10.0的后处理器工作环境,结合华中五轴数控机床的操作说明书、编程说明书、维修说明书等,设置后处理器的机床类型、后处理输出单位、机床参数、程序和刀轨参数、NC 数据格式、输出参数、后置处理文件预览等相关参数,见图8-10.运用定制的后处理文件生成机床的NC 加工代码,其中部分代码截图见图11.

图8 机床运动学参数设置截图

图9 程序初始化、工序结束等相关指令设置截图

图10 程序G 代码修改截图

图11 加工程序部分代码截图

3 数控仿真加工

通过定制的后处理器生成加工程序后,需要根据机床的实际结构和具体参数,在VERICUT 软件中搭建虚拟仿真模型.华中五轴的主要结构见图8,该机床用于加工中小型、轻型工件,能较好地完成旋转曲面、孔铣、平面、凸台等的加工.以VERICUT软件为平台,根据实际测量的机床零部件的结构尺寸,构建机床的虚拟仿真模型,建立华中五轴项目树,包括定义Base 基础组件、车削主轴Spindle、毛坯与夹具文件组件、刀具库文件等项目树,并以.STL格式分别保存各个零部件,见图12.

设置好项目树,构建模拟仿真的虚拟机床机械结构,根据机床的实际运动结构在VERICUT软件中搭建机床的简单框架,仿真模型见图13.导入VERICUT 对应的组件模型,添加机床配套的华中HNC-848B数控系统,设置加工毛坯、工件、刀具库管理文件与机床碰撞、过切、残留参数.

图12 VERICUT软件构建的华中五轴项目树截图

图13 五轴加工中心仿真模型截图

搭建好虚拟机床后,将后处理器生成的零件加工程序代码导入VERICUT 软件中进行仿真加工验证.主要对其加工过程进行模拟仿真,检验加工程序的准确性,刀具、刀路轨迹的合理性及加工过程是否出现过切、少切、撞机等现象.仿真过程见图14-16.

图14 VERICUT机床粗加工仿真截图

图15 VERICUT机床精加工仿真截图

图16 VERICUT机床加工仿真模型截图

由于VERICUT 软件模拟仿真机床按1∶1搭建实体机床模型,所以仿真机床运动状态与实际机床运动状态一致,在仿真过程中,可以通过鼠标旋转加工模型,观看各个角度的加工情况,以检验机床加工过程的可行性[4].借助软件的分析功能,合理设置过切和残留的对比公差值,确认加工过程中不会出现零部件过切、残留及机床碰撞现象,进一步验证NC加工程序的准确性,设计加工工艺的合理性,实际加工生产的可行性.通过VERICUT 软件还可以对加工程序进行优化和改进,优化切削用量、主轴转速、进给率等,缩短加工时间,保障刀具加工轨迹最优.

通过VERICUT 数控仿真加工,验证了后处理器生成的数控加工程序符合华中五轴的加工要求.为了进一步验证仿真的可行性,将零件的NC 程序通过U 盘导入数控装置,并装夹毛坯、刀具,对机床进行对刀,进行实体加工.加工实体零件和仿真模型的对比情况见图17.使用游标卡尺、千分尺、坐标测量仪等检测工具,对加工成品件进行技术检测,环绕基座曲面的尺寸要求为50 mm,测量结果为50.01 mm,表面粗糙度Ra≤1.6μm,其余面粗糙度Ra≤3.2μm,其他加工精度要求较低的尺寸也均在公差要求范围内,检测结果符合设计要求.

图17 虚拟加工与实际加工零件的对比

4 结语

以华中五轴为研究对象,利用UG NX 10.0软件,设计并生成了加工零件的刀路轨迹,开发了华中HNC-848B 型数控系统的专用后处理器.运用VERICUT 软件搭建了华中五轴的虚拟仿真机床,进行了数控仿真加工,验证了后处理器生成的加工程序的可行性和准确性,避免了实体零件在加工时出现过切、残留、机床碰撞等现象,优化了NC 加工程序,缩短了加工时间,提高了加工效率,具有较高的应用价值.