UG环境下五轴联动双主轴车铣复合技术的教学实践

殷业财, 吴 波, 隋金玲, 张剑锋, 梅 梅

(北京石油化工学院 工程师学院，北京 102617)

UG环境下五轴联动双主轴车铣复合技术的教学实践

殷业财, 吴 波, 隋金玲, 张剑锋, 梅 梅

(北京石油化工学院 工程师学院，北京 102617)

以典型的模型零件为例,介绍了五轴联动双主轴车铣复合机床在UG(unigraphics)环境下的复合加工编程方法,对双主轴车铣复合机床加工坐标系的建立方法、刀具转换方向、加工工序的安排及加工过程的3D动态仿真进行了详细的阐述。

车铣复合加工； 掉头加工； UG； 仿真

1 双主轴车铣复合机床

复合加工是机械加工领域最流行的加工工艺之一,也是数控设备发展的一个主要方向,其中应用最广泛、难度最大的就是车铣复合加工。车铣复合加工不是单纯的将车削和铣削两种加工手段简单的集成到一台机床上,而是利用车铣合成运动来进行复杂表面加工的一种先进的切削技术和工艺方法[1]。对于一些复杂的产品零件,尤其是航空产品零件,其工艺复杂,工序繁多,往往在一个产品就集成了车削、铣削、钻孔、镗孔等多种加工方法。对于两端都要加工的零件来说,单一主轴的车铣复合机床在加工完零件一端后,不得不人为卸下零件掉头装卡加工另外一端,造成了生产辅助时间延长,降低了生产效率,同时降低了加工精度。双主轴车铣复合机床(见图1)则能完美的解决上述问题。从理论上说,车铣加工中心可以有效地提高产品加工质量和效率,但实际上结果并不尽如人意,其中主要原因便是难以编制高质量的加工程序,缺乏有效的工具和手段进行驱动[2]。本文以典型的奖杯的车铣复合加工为实例介绍基于UG(unigraphics)的双主轴车铣复合加工技术。

图1 双主轴车铣复合机床

2 制定模型的加工工艺方案

2.1 实例模型分析

奖杯模型见图2,奖杯主要由底座和杯身两部分组成,杯身中部为空,且在杯身表面开有大小不等的9个槽,作为工艺品,其各尺寸公差等级和表面粗糙度等主要技术指标可忽略不计。若采用传统加工方法,则先用数控车床加工出奖杯的整体外形和中空部分,然后再利用五轴加工中心对杯身的曲面槽进行加工,整个加工过程需多次装卡且定位基准不统一。改用UG环境下带双主轴的五轴联动车铣复合机床加工,以初始毛坯(圆柱体)的两端中心点分别作为定位基准,先利用第2主轴装卡卡住毛坯的一端加工出底座,再利用第1主轴夹住刚刚完成的底座部分并完成对杯身的整体加工。这避免了工件被多次装卡,减少了中间的多个辅助工序,不仅使加工时间大大缩短,而且得到很高的位置精度,提高了生产效率。

图2 奖杯模型

2.2 设计模型的加工工艺

根据上面对奖杯模型的分析,再结合UG-CAM提供的刀路类型制定的加工工艺方案见表1。

表1 加工工艺表

注: 加工材料:铝；毛坯尺寸:φ175 mm×310 mm

3 模型加工编程过程安排

3.1 毛坯的建立

设定毛坯类型为圆柱体,在UG中最为简单及普遍的方法是画一个稍大于模型截面的圆(本例中圆的直径可设定为φ175 mm),然后拉伸出一个圆柱体。拉伸毛坯圆柱体的长度要大于模型两端端面1～2 mm,以留出车端面余量。在实际加工中,合理的加工工艺安排是根据模型零件的尺寸和所设定的毛坯的大小来确定。

3.2 加工坐标系的建立

在本实例中,模型的两端需要掉头装夹进行加工。若采用普通的数控车床加工,由于机床结构原因,需要夹住毛坯一端,将另一端的端面中心处设定为加工坐标系位置,完成后再将工件掉头夹住已加工部分,将另一端的端面中心处设定为工作坐标系,两端所设定的加工坐标系的各坐标轴方向不变。采用双主轴车铣复合机床加工时,当第1主轴夹住工件的一端时,加工坐标系的建立和普通数控车床建立方法相同,见图3；但是当第2主轴移动过来夹住被加工部分,同时第1主轴松开,第2主轴移回原来位置后,刀具在z轴方向移动进行切削,z轴的正负方向发生了变化,因为在判断机床各个轴的移动方向时,总是以远离工件的方向为正方向,所以,在第2主轴加工工件切削时,建立的工作坐标系的z轴方向和在第1主轴的坐标系方向相反[3],见图4。

图3 第1主轴工作坐标系

图4 第2主轴工作坐标系

3.3 工序的安排及注意事项

在工艺表1中,工序1—4工序是UG下的奖杯模型底座加工工序[4],坐标系设定见图5。底座的加工全部采用车削加工方法来完成,进入UG环境下的车削加工模式,按照先粗后精的原则安排加工顺序:先加工端面,然后加工底座轮廓。工艺路线:先粗车端面和轮廓,后精车。由于需要掉头加工,在对底座端面进行车削编程中,将刀具在Z轴方向的结束位置延长出2 mm。这样做是因为掉头加工后,为了使两端刀路在结束位置接的完整,应有一个重叠距离。考虑到模型底座的厚度不大,装夹部分较短,为了避免刀具与卡盘距离过近而发生干涉,同时避免加工后的表面轮廓受到影响,因此将底座轮廓刀路Z方向结束位置适当延长。

在表1中,工序5—13是掉头加工后奖杯杯身轮廓及内孔加工工序,工作坐标系与加工底座坐标系Z轴相反。在传统的普通数控车床加工中,UG环境下所创建的车削刀具在掉头加工后可以继续沿用,而采用双主轴车铣复合机床车削底座部分时,走刀方向从左向右加工换成从右往左加工后,所建立的车刀将不再适用。为此可以有两种办法解决:一是重新创建车削刀具,这种方法比较繁琐,而且会因为所创建刀具较多,增加了编程风险,影响了编程效率；二是采用旋转刀具的方法。在UG车削环境中,利用其“绕夹持器翻转刀具”和“重定向刀具夹持器”功能,此种方法不必再重新创建刀具,操作简单,只是在原有刀具基础上旋转一定角度即可满足刀具需求。

为了避免一开始加工时就降低工件的刚度,减少受力变形,对杯身加工的顺序是:先车削杯身外形,然后再镗杯身内孔。加工杯身内孔的工艺路线为:打中心孔—引钻—打孔—粗镗—精镗。采用φ30钻头打孔,钻头直径较大,为了避免在打孔开始时受到工件作用力影响而发生偏移,采用φ10钻头先打出一个深度为50 mm的引导孔,然后钻头再沿着此引导孔钻下去,保证钻头四周能受力均匀,减少偏差。

在工艺表1中,工序1—13全在UG车削模式下完成,在UG环境中建立车铣复合加工程序要根据不同的加工类型创建不同的工序子类型。工序14—17是铣削杯身端口和槽的铣削加工工序,从图2模型中看到,奖杯杯身的端口和槽均为斜壁,采用外形轮廓铣加工方法较为方便,因此在UG加工环境创建工序的类型中选择mill-multi-axis,子类型选择外形轮廓铣。对于本模型实例,采用外形轮廓铣加工关键的问题是如何选择底面,因为奖杯的中间是空的,端口和槽的侧壁不存在底面,要进入到建模环境下建立一个辅助面,以满足外形轮廓铣加工的条件。从以往的加工经验中知道,要将一个面加工完整,刀路需在边界处做适当延长,本例模型中所需加工侧壁的底部在中间的内轮廓表面上,因此建立的辅助底面要略小于中间内轮廓表面。

复杂的车铣复合设备用传统的手工编程是很难实现的,并且效率很低,很多传统的以铣削为发展方向的CAM软件也无法完成此类型的编程[5]。编制程序的排列顺序要和工艺表的排列顺序相同,因为在仿真和后处理过程中,是按照程序排列的先后顺序进行的,因此在对程序编制过程中一定要按照加工工艺的步骤逐步完成。UG-CAM数控编程技术的发展,为车铣加工中心程序编制提供了良好的基础支撑,研究UG-CAM数控编程技术对车铣加工中心的实际应用有至关重要的现实意义[6]。

4 仿真加工

数控加工仿真是在计算机上通过软件模拟加工环境、刀具路径和材料的切除过程,从而达到与零件试切同样的目的的程序检验方法[7]。在UG-CAM下对刀路轨迹仿真,或是选择3D动态或2D动态模拟仿真都可以对刀具选择、走刀路径的正确性等作出直观的判断。选择3D动态同时勾选“IPW碰撞检查”和“检查刀具和夹持器”选项,可以更好地检测加工时的干涉碰撞现象,提高了程序的安全性和合理性。车铣复合加工由于运动部件多、功能复杂,程序编制完成后的加工仿真就显得尤为重要。为了提高车铣复合加工的应用水平和编程效率,必须大力推动仿真技术的应用。实际上,在车铣复合加工中,对于不同机床结构的模拟仿真,UG尚难以实现,可借助目前的通用数控加工仿真软件，如Vericut、NCSimul等,根据车铣复合机床的结构、运动特点、特殊功能、数控系统通过定制及宏功能开发实现加工过程的运动仿真[8]。本例中的车铣复合仿真加工,可将工序导航器切换到几何视图,将工件一端的工作坐标系设定为G54,另一端设定为 G55。在G54下加工的是工件底座部分,分为4个程序,底座端面粗车-底座外形粗车-底座端面精车-底座外形精车。在G55坐标系下是奖杯杯身的加工程序,包括杯口端面和杯身粗精车—打孔—镗—精镗—杯身槽铣削,各个部分的3D动态仿真结果见图5。此工件比较复杂,所采用的加工策略较多,在编制刀路轨迹过程中,难免会出现前后顺序颠倒,因此在仿真过程中,要认真观察刀具在切削过程中的先后顺序,是否按照工艺表中的工艺路线进行加工。

5 结论

随着车铣复合加工技术的不断发展,对车铣复合编程技术也提出了更高的要求。由于车铣复合加工设备相比于传统单一机床的运动和加工功能要复杂得多,目前的通用CAM软件对于复合加工在工艺路线顺序的控制以及一些先进功能编程方面,如自动送料等,仍然存在缺陷和不足。本文通过对UG环境下双主轴车铣复合加工技术的描述,以实例的形式介绍了UG车铣复合加工技术,解决了利用UGCAM软件对于工艺复杂的产品零件从毛坯到成品的程序编制过程,同时对工艺顺序及注意要点给出了详细的解答,通过模拟仿真验证了加工工艺的合理性和加工过程的可行性,为车铣复合加工编程技术提供了参考。

References)

[1] 侯春霞. Mastercam在车铣复合加工中的应用[J]. 现代制造工程,2009(12):31-34.

[2] 瑞士宝美技术(BUMOTEC)有限公司.宝美高速高精度铣车复合加工中心的独特性能[J]. 航空制造技术,2007(3):64-65.

[3] 高长银,李万全,黎胜容. UG NX7.5多轴数控加工典型实例详解[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

[4] 宋放之,童华强,宋小春. 数控机床多轴加工技术实用教程[M]. 北京:清华大学出版社,2010.

[5] 郝一舒,施重频. EdgeCAM下三拐曲轴的车铣复合加工[J].机电一体化,2008(8)：31-34.

[6] 孙建波,戈迎喜. 车铣加工UG-CAM制造技术与应用 [J]. 精密成形工程,2010(2):84-87.

[7] 刘建元. UG-CAM铣削编程与数控加工仿真软件的综合运用[J].中国制造业信息化,2011(13):28-31.

[8] 吴宝海,严亚南,罗明,等. 车铣复合加工的关键技术与应用前景[J]. 航空制造技术,2010(19):42-45.

Teaching practice of five axis linkage double spindle turning/milling machine under UG environment

Yin Yecai, Wu Bo, Sui Jinling, Zhang Jianfeng, Mei Mei

(Engineering College, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617,China)

Turning-milling compound machining is an advanced cutting technology and process of turning-milling synthesis movement machining complex surface . It is an important direction of today’s CNC machining equipment. Machining process plan of typical parts is determined. Composite processing programming method of the five axis linkage double-spindle turning/milling machine under UG environment is provided. The establishing method of double-spindle milling compound machine tool coordinate system,tool change direction,process arrangement and 3D dynamic simulation of machining process are described in detail.

turning-milling compound machining; turning processing; UG; simulation

2015- 07- 19

殷业财(1981—),男,北京,学士,助理实验师,主要从事数控教学与加工技术研究.

G642.0

B

1002-4956(2015)10- 0056- 04