基于UG的大型十字万向接轴法兰叉头的数控加工技术研究

吴先文，李 丽，张 丹，李 雷

（1. 四川工程职业技术学院，德阳 618000；2. 中国二重集团公司，德阳 618000）

基于UG的大型十字万向接轴法兰叉头的数控加工技术研究

吴先文1，李 丽1，张 丹1，李 雷2

（1. 四川工程职业技术学院，德阳 618000；2. 中国二重集团公司，德阳 618000）

0 引言

随着轧钢设备朝着大型化、连续作业化和高速化方向发展，对轧机主机的安全过载保护要求越来越高，对轧机主传动用十字万向传动轴要求也越高。其中SWC型十字万向接轴关建零件法兰叉头采用整体式结构，由于其型腔曲面为复杂空间曲面，其制造水平的高低直接影响到整个十字万向接轴质量。长期以来其型腔曲面完全依赖铸造成型，由于毛坯曲面不规范和铸件变形，装配后影响十字包转动，传统的解决方法是：先对产品进行试装，对影响装配和转动的部位做记号后凭经验上机床加工，修完后再装配，若达不到要求重新上机床修型，这样不仅费时费力，且零件强度也无保证。运用UG NX CAM技术在数控机床上对铸件复杂曲面进行检查及修型，已成功地用于多台1450轧机项目的十字万向接轴制造。

1 CAD建模

1.1 法兰叉头结构特点及工艺分析

SWC型法兰叉头结构如图1所示，工件毛坯为铸件ZG42CrMo，法兰盘直径D=Φ550mm，轴承孔直径d=Φ255N6mm，型腔曲面相对于法兰盘ΦD中心线、轴承孔Φd中心为对称结构，型腔由两段R圆弧，且弧面呈30º、17º包络，包络的弧面与两侧45º斜面相交，腔底为7º斜面。该产品使用倾角大15º相互运动件容易产生干涉，由于铸造时涨箱、重要尺寸产生较大误差等原因的影响，致使实际铸造叉头可能存在与相关件严重干涉(铸造时重要尺寸偏差比图纸给出的偏差大)或者重要部位的强度减弱（铸造时重要尺寸偏差比图纸给出的偏差小）的问题，从而对产品的生产和质量造成严重影响。

图1 SWC型法兰叉头

制造难点分析：

1）由于铸造实际尺寸与设计尺寸差距很大，有的部位多达8-10mm，有些部位又有缺肉，因此确立合理的工步是该型腔曲面检查及加工的关键。

2）法兰叉头铸造毛坯零件加工余量不均匀，在加工中材料去除量较大，因此提高加工效率是一个难点。

3）法兰叉头的型腔面一次走刀中去掉的金属体积较大，必须考虑刀具寿命，减少停机换刀时间。因此选择合适的刀具参数，使用合理的切削用量尤为重要。

4）法兰叉头加工是在三坐标数控镗床上加工自由曲面，加工质量和效率对加工程序要求高。

1.2 建立数字模型

将设计提供的利用三维CAD技术及先进的有限元分析软件优化后的三维模型stp文件导入到UG NX4中，在UG NX4建模模块中将法兰叉头曲面分成A、B、A面（如图2、图3所示）。

图2 法兰叉头曲面的分割

图3 法兰叉头三维模型

2 确定数控加工工艺方案

2.1 划分数控加工工步

由于型腔曲面铸造公差大，加之铸件涨箱变形，造成毛坯余量不均匀、不对称，为了提高加工效率， 先将型腔曲面分割成A、B、A面，按单边留量6mm，将型腔曲面走刀检查一遍，确定工件余量，再根据余量情况制定加工流程，如图4所示。

图4 加工流程图

1）如果观察没有余量，可加大机床转速和走刀，快速完成型腔曲面的检查。

2）如果A、B面均有加工余量，量大则先执行A、B面分别粗加工程序，再执行A、B面同时精加工程序；量小则直接执行A、B面同时精加工程序。

3）如果A面或B面单边有加工余量，则只执行A面或B面粗、精加工程序。

2.2 选择加工设备

宜选择带回转工作台的数控镗铣床，结合工件外形尺寸及重量，考虑到该零件只对其型腔面进行修形，综合机床的加工能力及主轴转速、进给速度等性能，选择TK6111数控镗床有利于提高效率。

2.3 选用加工刀具

由于型腔曲面的加工表面质量要求不高，粗、精加工用同一把刀，选择了75°可转位面铣刀，刀具直径Φ160，该刀具可改变每层之间的波峰残留，减少分层密度，同时可采用大进给量，效率高、性能可靠。刀片可换，即使在长时间切削中磨损后，暂停程序换刀片，此时刀具长度等参数均未变，然后继续执行程序即可。

2.4 确定切削用量

为了保证切削速度均匀、切削载荷较稳定，减少刀具、机床所受的冲击，同时提高加工效率，以“小切深大走刀”的高速切削原理来规定切削用量。

切削深度：以数控程序分层加工需要达到的要求，粗加工ap取5～8mm，精加工ap取1～2mm；切削速度Vc＝300m/min；主轴转速：n=1000r/min；进给速度：f=1000～1500mm/min。

2.5 设计数控程序

编制加工法兰叉头型腔曲面程序是数控加工的重要环节，优化刀具路径、选择合理进退刀方式对加工质量和效率至关重要。编程采用UG NX4平台进行自动编程方式。为保证加工连续性和提高效率，采取通过程序自动根据毛坯具体情况分刀进行数控程序的设计。

2.5.1 确定编程原点和加工坐标系

按照加工坐标系MCS和WCS坐标系重合的原则，以ΦD和Φd的中心交点为定G54，这样在加工过程中能尽量减少碰撞发生，同时方便对刀及加工前的程序检查（如图5所示）。

图5 工件坐标系的确定

2.5.2 设计数控程序加工路线

在NX CAM中的操作对应每个加工工步。根据工序的划分，在NX CAM中建立程序组，并将程序组名规范化，避免因程序多导致操作失误。根据选用的刀具创建刀具模型参数和加工参数（如图6所示）。创建各工序的工件包括零件、毛坯和加工坐标系等加工几何体和操作（如图7所示）。

2.5.3 设计数控程序刀具路径

NX加工模块中提供了三轴加工和多轴加工模式，法兰叉头的加工要求以及加工机床的功能，我们采用CAVITY MILL（型腔铣）方式，用法兰叉头的自由曲面作为驱动面，以平行于水平面的不同深度平面与型腔面相截，产生的截面线再偏置一个刀具半径，产生刀具路径（如图8所示）。这样通过分层的数控程序即（2.5轴联动加工）生成刀具轨迹，避免加工中扎刀现象，尽量多的运用圆弧插补来加工型腔面的轮廓，使得走刀路线大大缩短，加工时间缩短，且加工的表面光度好，使得后续的打磨工序工作量减少。

图6 刀具参数模型

图7 加工几何体和操作

图8 程序的刀路设计

2.5.4 后置处理

机床后置模块的作用是生成可使用的G代码程序。在实际运用中，发现在圆弧插补上用IJK方式后置处理的G代码在机床上模拟报警出错，其原因为数据计算累积错误。最后后置处理器改为CR的方式，产生的程序运行通过。系统自动产生NC程序段格式如下：

毛坯检查程序：（flct.txt）

2.5.5 加工仿真及程序校验

为了保证程序的可加工性，减少实际试制时间，节约费用，将生成的加工程序在软件上进行仿真加工。通过仿真可对程序进行分析，防止在加工中出现刀具轴振动、过切及碰撞、扎刀现象。对于仿真结果不理想的程序则可返回加工模块对加工方式、参数等进行修改，直至仿真结果（如图9所示）符合加工要求。

图9 加工仿真

2.5.6 数控系统轨迹模拟

通过数控系统的图形显示功能显示刀具轨迹运行情况，这种方法快而准确，该测试可在各种倍率模式有效时进行。由于所有运动在控制器的图形模式下进行测试，这样就减少了检查任务量，且程序也易跟踪。

2.6 程序传输和运行

法兰叉头根据前面划分，从而产生了2～6个程序。这些程序的程序段数多达8000，在文件大小上，其中一个达到4M字节，可用U盘将程序拷入机床中。

程序在运行时，由于机床的NCU内存太小，无法将程序装载入后进行加工，所以采用数控机床自动模式下，通过硬盘方式进行边传程序边加工。根据实际情况，在一些加工程序段上通过倍率开关优化指定的切削速度和进给速度。

3 结论

SWC型法兰叉头的数控加工解决了SWC型十字万向接轴的装配瓶颈，以往由于法兰叉头型腔曲面的不规范，装配一套SWC型十字万向接轴往往要花费3～4天的时间，通过数控机床的检查及加工使型腔曲面完全符合理想模型，解决了法兰叉头转动干涉问题，提升了工艺水平，提高了生产效率，节约了成本，也为今后开发SWP型法兰叉头的数控加工积累了经验。

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The research of numerical control machining technology in large cross-universal joint fl ange fork based on UG

WU Xian-wen1, LI Li1, ZHANG Dan1, LI Lei2

研究了UG_NX/CAM软件在大型十字万向接轴法兰叉头零件数控加工中的应用，并从建模、数控编程、模拟仿真、后置处理、加工程序的生成等方面作了分析，探讨了提高数控加工质量和效率的途径。该方法对其它复杂曲面的加工具有一定的推广价值。

法兰叉头；复杂曲面；数控加工；UG；程序校验

吴先文（1968 -），男，副教授，硕士，主要从事机电设备设计、制造、维修及技术改造等方面的教学和科研工作。

TP391.72

A

1009-0134(2011)4(上)-0046-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).15

2010-12-23