基于UG的数控多轴加工工艺优化设计研究

2022-06-09张志朋

黑龙江科学 2022年10期

张志朋

(哈尔滨职业技术学院，哈尔滨 150040)

1 基于UG的数控多轴加工工艺优化设计方式

1.1 四轴联动加工工艺优化设计

每行加工坐标不高于4的加工工艺即为四轴联动加工，其应用的加工坐标较少，因而会对零件刀路生成产生一定的限制。利用四轴联动加工方式加工陀螺零件时，距离加工路径较远的刀具可能会撞击工件，导致刀杆失稳现象，降低零件加工品质。可在UG软件的插补矢量功能基础上，对不包含边界位置在内的其他矢量进行删除，将零件旋转轴旋转180°，点击F8键，单击鼠标左键以完成旋转轴的固定，利用鼠标调整零件旋转位置，点击其他矢量，确定视图方向图表，在任意空间位置处完成刀轴控制。此外，可在UG软件的插值-光顺功能辅助下，消除数控机床加速运行时因速度变化不一所导致的刀具轨迹过度光滑的弊端，解决刀具及工件间的碰撞干涉问题。

1.2 五轴联动加工工艺优化设计

五轴联动加工方式是以五轴联动加工设备为核心，在其可变轴曲面轮廓功能基础上完成陀螺零件加工，驱动方式以曲面区域选择为主，以适合的刀轴为投影矢量，确保刀轴与驱动体保持垂直，通过向部件或驱动方式进行插补角度调节，实现五轴联动加工刀路的生成。应用五轴加工工艺时，刀具及工件间的碰撞干涉问题仍然存在。因此，可借助UG软件的插补矢量功能，结合四轴联动加工工艺优化流程，在零件旋转轴转至180°、F8键点击完成后，通过鼠标移动，将位于区域边界处的刀轴矢量方向调整至刀具处，此种优化方式刀具及工件之间不会产生碰撞干涉问题。利用五轴联动加工工艺及设备加工复杂的叶轮叶片时，可基于UG软件的专用叶片加工模块，确保五轴联动加工刀路的快速生成。

2 基于UG的数控多轴加工工艺优化设计案例

2.1 数控多轴加工工艺

某风力发电设备以硬铝2A12作为叶轮制作材料，叶轮结构为螺旋升角状直纹面回转体，轴向宽度为1.0 cm，最小曲率为R5。共有15个叶片，厚度范围介于0.18～0.32 cm，形状精度误差应控制在0.3 mm之内。受到叶轮运行环境的影响，可选用直径为30.2 cm、长约12.2 cm的棒型硬铝作为加工毛坯。可利用双轮盘结构的五轴机床作为加工基础，精加工使用10.0 mm直径的立铣刀，精加工利用直径为6 mm的球头铣刀。确保主轴方向与水平面呈90°，升高工件装夹位置，以免刀具运行时碰触夹具。

2.2 基于UG软件构建零件三维模型

因叶片曲面形状加工难度大、加工线路复杂，需要基于UG软件构建零件的三维模型。结合工艺规划位置，依据夹紧方案确定的参数，基于UG软件的虚拟装配功能，遵循由下至上的设计原则，完成包含过渡毛坯、夹具及组件的完整性几何模型。参数化建模过程中，添加床身组件，依次添加Y轴、X轴、Z轴，最后添加A轴、C轴组件，以完成建模(如图1)。

图1 基于UG软件构建的组件几何模型Fig.1 Component geometric model based on UG software construction

2.3 数控编程

确定程序组。以各个加工操作的排列顺序为基础，运用系统配备的程序组管理控制各个加工操作环节。

加工模式选择。根据所选刀具类型，对刀具参数进行设定。精加工时，以风机叶轮尺寸为依据，选用与立铣刀匹配的型腔铣加工模式。半精加工轮毂与叶片时，应选用与球头铣刀匹配的深度五轴铣加工模式，消除残余加工量。精加工轮毂、叶片及清角加工时，可选用基于球头铣刀的可变轴曲面轮廓铣加工模式。

加工坐标系创建。设定好刀具参数后，进入加工坐标系的创建环节。前倾角参数应以5.0为宜。为确保刀具可完成所有叶面加工，防止刀具与工件产生碰撞，应令侧倾角比螺旋升角略大。为加强刀轨数量控制效果，提高叶面加工质量，应利用“残余高度”取代曲面区域驱动方法中的“数量”。

创建加工方法组。加工方法组的创建应以加工模数的切削参数为基础，按照粗加工、半精加、精加工的顺序进行。如精加工时部件余量及公差分别为0.6 mm与0.3 mm，应在加工程序明确、加工参数设定完成后，利用UG软件进行刀路轨迹的生成，对二维刀路进行仿真分析。

3 基于UG的数控多轴加工工艺精度的可靠性处理

3.1 仿真准备

仿真运动部件创建。利用UG软件应用模块中的机床构建器创建主轴、旋转台、工件安装部件等五坐标机床运动仿真运动部件，完成加工机床运动仿真体系的构建。

创建仿真组件连接点、轴。以上一环节构建的运动仿真体系为基础，创建运动仿真组件连接点及运动轴，以运动仿真连接点作为坐标系统，确保各运动组件可有效连接，利用运动轴调整机床轴向运动幅度，实现方向控制。

后置处理文件创建与存储。完成连接点、轴创建之后，基于UG软件的文件创建工具创建后置处理文件，将轴限制的最大及最小值分别设定为120与-100，机床与轴中心之间的轴偏置设置为0，将此文件保存在五轴加工文件夹目录下。以记事本格式打开安装文件，对后置处理文件进行添加与存储。点击机床视图选项，弹出库类选择对话框之后，向模型库中引入已设计完成的机床运动模型，进行机床装载。

3.2 加工与处理

完成机床装载之后，进行精加工、半精加工、精加工轮毂与叶片，并进行仿真，利用五轴联动数控机床后置处理器完成后置处理。基于UG应用环境，选择工序导航器，点击节点操作按扭，调取处理对话框，在处理列表中选中五轴后置处理器新建选项，将弹出的输出框选中后点击确定。完成五轴加工后置处理程序获取之后，以记事本格式进行文件启动，生成风机叶轮五轴加工程序片段。