基于VERICUT软件的滚刀车铣复合仿真加工技术研究

黄帅，王晓丽

西安工业大学机电工程学院

1 引言

齿轮在工业生产制造中占据重要地位，而滚齿是齿轮加工的重要方法，因此，滚齿刀具的制造水平在一定程度上影响着齿轮行业的发展。目前，我国滚齿刀具制造技术和世界先进水平还有很大差距，代表我国滚齿刀具技术水平的有哈尔滨第一工具厂、汉江工具厂、上海工具厂、重庆工具厂等企业，且都已具有比较成熟的滚刀加工和设计技术[1]。这些企业虽然在滚刀生产中能基本实现数控加工，但仍处于多设备、多工序生产，严重制约了生产效率。

本文提出了滚刀的车铣复合加工方法，该方法能够解决我国目前滚刀刀具制造中存在的设备多、工序多、自动化程度低和生产周期难以保证等问题。课题组以国内某著名工具厂的滚刀加工工艺为研究对象，研究滚齿刀具车铣复合加工的理论和工艺。借助UG8.5软件建立MTA20立式车铣复合机床模型，配合VERICUT9.0软件构建虚拟机床，并设置数控系统、毛坯、坐标系和刀具等内容，设计了完整的车铣复合加工工艺流程，并进行了滚刀的仿真加工。

2 滚刀传统加工工艺

加工过程主要是指利用机械加工的方式，逐步消除被加工毛坯尺寸与空间余量，最后形成目标刀具的全过程，同时也是指导机床操作员现场加工的方法[2]。国内某工具制造厂的滚刀加工工序为钻内孔—车各部—车螺纹—铣容屑槽。表1为该刀具厂滚刀实际加工过程中的各个工序、所用加工机床以及加工实例。

表1 滚刀加工工艺现状

总体来看，该工具厂滚刀热处理前加工工序虽然基本实现了数控加工，但仍处于多机床、多工序的制造水平，由此造成的操作人数多和效率低等问题有待改进。

3 滚刀车铣复合加工工艺

基于该工具厂实际滚刀热处理前的分散加工工艺进行工序整合与优化，以图1所示滚刀为例，设计了滚刀热处理前车铣复合加工工艺(见表2)。

表2 车铣复合加工工艺

4 滚刀车铣复合仿真加工

4.1 建立机床模型

为了保证虚拟仿真机床对实际生产的指导意义，仿真机床需要与实际机床的结构、参数、刀具等保持一致。本文采用MTA20车铣复合机床，该数控车铣设备拥有由数控系统操作的多个刀柄，且机床控制系统中双主轴、双刀架能够同时运行，实现切削加工，同时，机床控制系统还拥有对Y主轴的加工能力，以及能够达到强大铣削功效的C主轴功能。该机床具备四轴联动功能，配合副主轴Z向进给可以完成工件的双向夹持，实现工件的正反面加工，保证一次装夹完成复杂工件的全部或大部分工序(见图2)。

图1 滚刀零件

图2 MTA20车铣中心

由于VERICUT软件并未提供滚刀车铣复合机床，因此需要根据试验的实际仿真需求，搭建仿真环境。仿真模型主要目的是模拟滚刀的加工，因此，仅需保留MTA20车铣中心的运动轴及床身等主要模块，其他机床部件可省略。利用UG软件建立机床组件的三维模型并完成装配(见图3)。

4.2 搭建虚拟仿真机床

使用VERICUT软件对零件实行虚拟仿真机械加工，需要提供虚拟环境。如图4所示，根据机床各部分组件运动关系拓扑结构，搭建机床各组件运动关系模型树后，在VERICUT软件里加载的MTA20立式车铣复合加工虚拟机床框架。其步骤如下：将NX8.5软件中建立的仿真机床模型分别划分成线性轴、旋转轴、机床床身及夹具等部分，分别以.stl格式导出；在VERICUT项目树的Base下添加线性轴、旋转轴及主轴部分然后在该位置双击添加床身、运动轴等对应模型文件；将保存好的各组件模型分别导入对应的项目下，最后成功将模型导入VERICUT软件中；按照各轴之间的运动逻辑关系正确定义其依附关系，分别定义线性轴与旋转轴、机床组件的依附关系；同时添加机床配套的数控系统。

图3 车铣复合机床模型

图4 虚拟机床配置

4.3 仿真加工

仿真加工的主要目的是通过加工代码程序验证加工工艺的合理性[3]。采用NX环境中CAM模块对毛坯零件进行软件自动编程；通过构建加工零件的几何模型形状，结合设计的车铣复合加工工艺路线，使用图像显示器的光标在零件图像上选定工件范围，定义走刀路径，并录入相应工艺参数后，最终自动生成数控加工代码。启动VERICUT软件，设置完成各项参数后，添加数控程序，最后点击“仿真”按钮，即可开始对滚刀车铣复合加工过程进行仿真加工，其结果见图5。

图5 仿真加工

完成滚刀的加工后，点击VERICUT软件中的“自动比较”功能，对其进行分析，没有发现任何误差，证明通过车铣工艺仿真加工获得的模型与标准模型基本相同，验证了该工艺的正确性。

5 结语

通过分析国内滚刀加工工艺现状，提出了齿轮滚刀的车铣复合加工方法，设计了齿轮滚刀的车铣复合加工工艺方案；利用UG NX软件按照MTA20车铣中心结构建立了车铣复合加工机床模型，通过VERICUT进行虚拟机床的搭建，实现了滚刀的车铣复合加工仿真。通过仿真加工实验验证了本文所设计的滚刀热处理前车铣复合加工工艺的正确性与可行性，且有效提高了滚刀的加工效率，对滚刀车铣复合的实际加工生产具有一定的指导意义。