劉 江 然

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,河北 石家莊 050081)

近年來,隨著我國智能制造技術(shù)的不斷發(fā)展,機械制造業(yè)已由傳統(tǒng)的單件小批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊a(chǎn)線訂單式加工模式.普通的數(shù)控機床已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)線的精細(xì)化技術(shù)要求,建設(shè)四軸、五軸數(shù)控加工中心的需求越來越強烈,尤其是一些中小企業(yè),普遍開始裝備多軸加工中心,用來加工形狀復(fù)雜和精度要求較高的曲面類零件,以提高企業(yè)的競爭力.

多軸數(shù)控加工機床價格昂貴,是普通數(shù)控機床的幾倍甚至幾十倍,一旦出現(xiàn)設(shè)備故障,將會產(chǎn)成較高的維修成本,影響生產(chǎn)效率.這就要求企業(yè)在實際生產(chǎn)前,嚴(yán)格審核加工工藝的準(zhǔn)確性和加工程序的可行性,避免在實際加工中出現(xiàn)誤差和故障,造成經(jīng)濟損失.作為多軸加工的輔助工具,UG(編程軟件)和VERICUT(數(shù)控加工仿真軟件)能夠在多軸數(shù)控加工過程中進(jìn)行模擬仿真,優(yōu)化加工程序和加工工藝,減少機床碰撞、過切、少切、故障等現(xiàn)象,提高加工效率[1].

本文以華中8型系統(tǒng)的JT-GL8-V 五軸加工中心(帶A軸、C軸)(以下簡稱“華中五軸”)為研究對象,以加工環(huán)繞基座零件為例,研究基于UG NX 10.0和VERICUT 8.2.1軟件構(gòu)建華中五軸機床的仿真模型,構(gòu)造該機床的后處理器,通過UG NX 10.0創(chuàng)建刀路軌跡,生成程序代碼,設(shè)置華中五軸數(shù)控系統(tǒng)及加工件對應(yīng)的毛坯、刀具、坐標(biāo)系等內(nèi)容,進(jìn)行數(shù)控仿真加工.

1 制訂加工工藝

1.1 環(huán)繞基座零件分析

環(huán)繞基座的加工面主要由曲面、圓弧面、端面和孔構(gòu)成,主要加工內(nèi)容為曲面加工、平面加工和銑孔.分析零件的加工圖紙知,毛坯應(yīng)選擇Φ80 mm×50 mm 的圓柱棒料,材料為45號鋼.

1.2 環(huán)繞基座零件的工藝分析

按照加工工藝的原則,環(huán)繞基座的加工順序為粗加工→半精加工→精加工.粗加工采用“型腔銑削”工序,選用大直徑、大背吃刀量、高轉(zhuǎn)速的加工方法,快速去除毛坯件上多余的材料,提高開粗效率.半精加工采用“平面銑削”工序,進(jìn)一步去除毛坯余料,為精加工留好均勻的余量,加工過程要兼顧加工表面的質(zhì)量和加工效率.精加工采用五軸聯(lián)動,選用“可變輪廓銑”工序,去除半精加工過程的余量,保證加工零件的尺寸、精度、表面粗糙度等技術(shù)參數(shù)合格,確保加工產(chǎn)品符合圖紙的技術(shù)要求[2].加工難點是環(huán)繞基座零件的曲面設(shè)計復(fù)雜,屬于典型的多軸數(shù)控加工產(chǎn)品案例,需要選用球頭銑刀多軸聯(lián)動加工,加工精度要求環(huán)繞曲面的表面粗糙度Ra≤1.6μm,其余表面粗糙度Ra≤3.2μm.

1.3 制訂加工工序卡

環(huán)繞基座零件曲面的工序復(fù)雜,應(yīng)選擇五軸加工中心進(jìn)行加工,結(jié)合車間設(shè)備的實際情況,本研究選用華中五軸(HNC-848B數(shù)控系統(tǒng))進(jìn)行加工,夾具選用自動定心的三抓卡盤,遵循先粗后精的加工原則,粗加工采用“型腔銑”加工工序,精加工采用“五軸聯(lián)動精銑”加工工序[3].零件加工程序單見表1.

表1 零件加工程序單

2 編制加工程序

按照加工程序單,利用UG NX 10.0 軟 件,根據(jù)數(shù)控加工流程對加工零件進(jìn)行模型創(chuàng)建.進(jìn)入加工環(huán)境模塊,創(chuàng)建NC(Numerical Control,數(shù)字計算機控制)操作,再利用軟件中的“mill_contour”和 “mill_multi-axis” 模塊(見圖1)功能中的“型腔銑”“可變輪廓銑”“固定輪廓銑”等工序指令,完成加工件的刀路軌跡設(shè)計,生成仿真刀路軌跡.利用后處理器生成NC代碼.

圖1 加工環(huán)境選擇截圖

2.1 創(chuàng)建幾何體

創(chuàng)建幾何體主要是定義要加工的幾何對象(包括部件幾何體、毛坯幾何體、切削區(qū)域、檢查幾何體、修剪幾何體)和指定加工零件幾何體在數(shù)控機床上的機床坐標(biāo)系.

首先,創(chuàng)建機床坐標(biāo)系.檢查機床坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的位置和方向是否相同,將參考坐標(biāo)系、機床坐標(biāo)系、絕對坐標(biāo)系盡可能統(tǒng)一到同一位置.在加工操作導(dǎo)航器空白處,單擊鼠標(biāo)右鍵,選擇“幾何視圖”,雙擊“MCS_MILL”,彈出坐標(biāo)系設(shè)置對話框,設(shè)置加工坐標(biāo)系.其次,創(chuàng)建安全平面.安全平面的設(shè)定可以選取模型的表面或者直接選擇基準(zhǔn)面作為參考平面.本研究選取模型的上表面為基準(zhǔn)面,指定切削的安全距離為50 mm.同時在“WORKPIECE”對話框中,設(shè)置“指定毛坯”“指定部件”等參數(shù),創(chuàng)建工件幾何體和切削區(qū)域幾何體,見圖2.

圖2 加工件幾何體設(shè)置截圖

2.2 創(chuàng)建刀具

在創(chuàng)建刀具前,必須設(shè)置合理的刀具參數(shù)或直接從刀庫中選取合適的刀具,因為刀具的定義直接關(guān)系到加工零件表面質(zhì)量的優(yōu)劣、加工精度及加工成本的高低.

單擊右鍵,在加工工序?qū)Ш狡髦羞x擇“機床視圖”,在“機床視圖”中單擊工具條上的“創(chuàng)建刀具”,按表1加工程序單中所列刀具的參數(shù)信息,創(chuàng)建D10的立銑刀,刀具號、刀具補償寄存器均選擇T01,用于粗加工;創(chuàng)建D6的立銑刀,刀具號、刀具補償寄存器均選擇T02,用于清根加工;創(chuàng)建D4的立銑刀,刀具號、刀具補償寄存器均選擇T03,用于孔銑加工;創(chuàng)建D6的球頭銑刀,刀具號、刀具補償寄存器均選擇T04,用于曲面加工,見圖3.

圖3 刀具參數(shù)信息選擇截圖

2.3 創(chuàng)建工序,生成刀路軌跡

刀路軌跡是指在圖形區(qū)域中顯示已生成的刀具運動路徑.每個加工工序所產(chǎn)生的加工刀具路徑、參數(shù)形態(tài)及適用狀態(tài)有所不同,所以設(shè)計者需要根據(jù)加工零件的圖紙及工藝技術(shù)要求,選擇合理的加工工序.依據(jù)加工工藝要求,精準(zhǔn)設(shè)計加工過程中的“刀軌設(shè)置”“加工策略”“投影矢量”“驅(qū)動方法”“切削參數(shù)”等每一個工序,生成加工零件的加工刀路軌跡.可以通過仿真加工來顯示刀具對毛坯除料的動態(tài)模擬過程.

2.3.1 零件粗加工

在UG NX 10.0 應(yīng)用模塊中,選擇加工模塊,進(jìn)入加工環(huán)境,在插入工具條中單擊創(chuàng)建工序,選擇“mill_contour”中“型腔銑”工序類型.“型腔銑”主要用于粗加工,可以切除大部分的毛坯材料,以固定刀軸快速而高效地粗加工平面和曲面類幾何體.在刀庫中選擇加工工序要用的刀具,顯示刀具和幾何體,設(shè)置刀具路徑、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速,最后生成刀路軌跡,見圖4.加工零件的反面粗加工與正面的加工方法相同.

圖4 零件正面粗加工參數(shù)設(shè)置和刀路軌跡截圖

2.3.2 零件精加工

精加工利用的是“可變輪廓銑”加工工序,也需要設(shè)置加工工序要用的刀具,顯示刀具和幾何體,設(shè)置刀具路徑、切削參數(shù)、非切削參數(shù)、進(jìn)給率和主軸轉(zhuǎn)速等.“可變輪廓銑”工序還需要設(shè)置驅(qū)動方法選擇曲面,投影矢量選擇“刀軸”,“刀軸”選擇“垂直于驅(qū)動體”.所有參數(shù)設(shè)置完成后,點擊“生成軌跡”,即可生成刀路軌跡,見圖5-7.

圖5 旋轉(zhuǎn)曲面精加工刀路軌跡截圖

圖6 曲面輪廓精加工刀路軌跡截圖

圖7 整體精加工刀路軌跡截圖

2.3.3 定制后處理器與生成加工程序

在工序?qū)Ш狡髦羞x中一個程序組或者一個加工工序后,通過后處理器來處理刀具路徑,從而生成數(shù)控機床能夠識別的NC 程序.特定的數(shù)控機床需要定義其本身的事件處理文件,通過“Post Builder”構(gòu)建適合特定機床的后處理器.數(shù)控機床后處理器的定制涉及很多內(nèi)容,如機床參數(shù)、數(shù)控系統(tǒng)、零件的加工工藝要求等,不同的機床、不同的系統(tǒng)對應(yīng)的后處理器不一定通用,需要根據(jù)加工零件和加工工藝來定制后處理器.

進(jìn)入UG NX 10.0的后處理器工作環(huán)境,結(jié)合華中五軸數(shù)控機床的操作說明書、編程說明書、維修說明書等,設(shè)置后處理器的機床類型、后處理輸出單位、機床參數(shù)、程序和刀軌參數(shù)、NC 數(shù)據(jù)格式、輸出參數(shù)、后置處理文件預(yù)覽等相關(guān)參數(shù),見圖8-10.運用定制的后處理文件生成機床的NC 加工代碼,其中部分代碼截圖見圖11.

圖8 機床運動學(xué)參數(shù)設(shè)置截圖

圖9 程序初始化、工序結(jié)束等相關(guān)指令設(shè)置截圖

圖10 程序G 代碼修改截圖

圖11 加工程序部分代碼截圖

3 數(shù)控仿真加工

通過定制的后處理器生成加工程序后,需要根據(jù)機床的實際結(jié)構(gòu)和具體參數(shù),在VERICUT 軟件中搭建虛擬仿真模型.華中五軸的主要結(jié)構(gòu)見圖8,該機床用于加工中小型、輕型工件,能較好地完成旋轉(zhuǎn)曲面、孔銑、平面、凸臺等的加工.以VERICUT軟件為平臺,根據(jù)實際測量的機床零部件的結(jié)構(gòu)尺寸,構(gòu)建機床的虛擬仿真模型,建立華中五軸項目樹,包括定義Base 基礎(chǔ)組件、車削主軸Spindle、毛坯與夾具文件組件、刀具庫文件等項目樹,并以.STL格式分別保存各個零部件,見圖12.

設(shè)置好項目樹,構(gòu)建模擬仿真的虛擬機床機械結(jié)構(gòu),根據(jù)機床的實際運動結(jié)構(gòu)在VERICUT軟件中搭建機床的簡單框架,仿真模型見圖13.導(dǎo)入VERICUT 對應(yīng)的組件模型,添加機床配套的華中HNC-848B數(shù)控系統(tǒng),設(shè)置加工毛坯、工件、刀具庫管理文件與機床碰撞、過切、殘留參數(shù).

圖12 VERICUT軟件構(gòu)建的華中五軸項目樹截圖

圖13 五軸加工中心仿真模型截圖

搭建好虛擬機床后,將后處理器生成的零件加工程序代碼導(dǎo)入VERICUT 軟件中進(jìn)行仿真加工驗證.主要對其加工過程進(jìn)行模擬仿真,檢驗加工程序的準(zhǔn)確性,刀具、刀路軌跡的合理性及加工過程是否出現(xiàn)過切、少切、撞機等現(xiàn)象.仿真過程見圖14-16.

圖14 VERICUT機床粗加工仿真截圖

圖15 VERICUT機床精加工仿真截圖

圖16 VERICUT機床加工仿真模型截圖

由于VERICUT 軟件模擬仿真機床按1∶1搭建實體機床模型,所以仿真機床運動狀態(tài)與實際機床運動狀態(tài)一致,在仿真過程中,可以通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)加工模型,觀看各個角度的加工情況,以檢驗機床加工過程的可行性[4].借助軟件的分析功能,合理設(shè)置過切和殘留的對比公差值,確認(rèn)加工過程中不會出現(xiàn)零部件過切、殘留及機床碰撞現(xiàn)象,進(jìn)一步驗證NC加工程序的準(zhǔn)確性,設(shè)計加工工藝的合理性,實際加工生產(chǎn)的可行性.通過VERICUT 軟件還可以對加工程序進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),優(yōu)化切削用量、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率等,縮短加工時間,保障刀具加工軌跡最優(yōu).

通過VERICUT 數(shù)控仿真加工,驗證了后處理器生成的數(shù)控加工程序符合華中五軸的加工要求.為了進(jìn)一步驗證仿真的可行性,將零件的NC 程序通過U 盤導(dǎo)入數(shù)控裝置,并裝夾毛坯、刀具,對機床進(jìn)行對刀,進(jìn)行實體加工.加工實體零件和仿真模型的對比情況見圖17.使用游標(biāo)卡尺、千分尺、坐標(biāo)測量儀等檢測工具,對加工成品件進(jìn)行技術(shù)檢測,環(huán)繞基座曲面的尺寸要求為50 mm,測量結(jié)果為50.01 mm,表面粗糙度Ra≤1.6μm,其余面粗糙度Ra≤3.2μm,其他加工精度要求較低的尺寸也均在公差要求范圍內(nèi),檢測結(jié)果符合設(shè)計要求.

圖17 虛擬加工與實際加工零件的對比

4 結(jié)語

以華中五軸為研究對象,利用UG NX 10.0軟件,設(shè)計并生成了加工零件的刀路軌跡,開發(fā)了華中HNC-848B 型數(shù)控系統(tǒng)的專用后處理器.運用VERICUT 軟件搭建了華中五軸的虛擬仿真機床,進(jìn)行了數(shù)控仿真加工,驗證了后處理器生成的加工程序的可行性和準(zhǔn)確性,避免了實體零件在加工時出現(xiàn)過切、殘留、機床碰撞等現(xiàn)象,優(yōu)化了NC 加工程序,縮短了加工時間,提高了加工效率,具有較高的應(yīng)用價值.