基于UG NX弧面分度凸轮加工工艺分析及多轴加工仿真

董晓岚

（苏州市职业大学机电工程学院，苏州 215104）

基于UG NX弧面分度凸轮加工工艺分析及多轴加工仿真

董晓岚

（苏州市职业大学机电工程学院，苏州 215104）

以弧面分度凸轮工作轮廓面方程为基础，基于UG NX 8.5完成弧面分度凸轮参数化实体造型设计；采用仿自由曲面法分析弧面分度凸轮的五轴加工中心加工工艺；基于UG CAM多轴加工模块，实现弧面分度凸轮的刀位轨迹生成及模拟切削仿真。

弧面分度凸轮加工工艺多轴数控加工

引言

弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴的高速、高精度间歇分度传动运动。该机构定位良好，传动效率高，体积小、重量轻、寿命长，是一种优质的分度机构。主动凸轮为圆弧回转体，工作廓面为凸脊状，通过工作面螺旋升角的变化实现分度盘的间歇运动和定位，通过中心距调整可消除滚子与凸轮槽间的间隙及磨损补偿［1］。

由于弧面分度凸轮机构主动凸轮的工作廓面形状复杂，属于空间不可展曲面，导致其设计与加工比较困难，如何提高弧面分度凸轮的加工精度有重要意义。本文基于UG NX实现弧面分度凸轮的参数化实体模型设计，采用五轴加工中心实现弧面分度凸轮的CAM工艺规划及UG CAM刀位轨迹生成与模拟切削仿真。

1　面分度凸轮实体模型建立

1.1建模方法

弧面分度凸轮主动凸轮工作廓面的曲面造型在UG NX中可采用2种方式实现：

（1）按照从动转盘与主动凸轮工作廓面的运动规律，以从动转盘作为剪切工具，在凸轮毛坯上沿着圆柱滚子中心线运动轨迹，切出弧面凸轮的工作廓面；

（2）根据主动凸轮工作廓面曲面方程，借助MATLAB生成圆柱滚子运动轨迹点集，利用UGNX的方程曲线、曲面功能命令对弧面分度凸轮进行参数化实体建模。本文采用此法。

1.2弧面分度凸轮工作廓面曲面方程［1］

弧面分度凸轮的共轭接触方程如下：

其中：（x1，y1，z1）为共轭接触点在动坐标系 O2x2.y2.z2中的坐标；P为凸轮分度期工作廓线的旋向；ω1为弧面分度凸轮的角速度；ω2为从动转盘的角速度；C为中心距；为从动转盘上滚子的位置角；r、为圆柱滚子工作廓面方程中的曲面参数。

1.3基于UGNX弧面分度凸轮实体模型建立

按照弧面分度凸轮工作廓面曲面方程，在MATLAB中生成从动转盘圆柱滚子两端点运动轨迹的点集，在UGNX中采用“通过点的样条线”命令绘制滚子端点在空间的运动轨迹曲线（图1），以滚子中心线为母线，滚子空间运动轨迹线为引导线建立直纹面（图2）。采用“缝合”命令将生成的直纹面缝合成实体（图3）。采用“回转”、“倒角”、“剪裁”等命令建立弧面分度凸轮实体模型（图4）。

图1　滚子空间运动轨迹曲线

图2　弧面分度凸轮工作廓面Ⅰ

图3　弧面分度凸轮工作廓面Ⅱ

图4　弧面分度凸轮实体

2　弧面分度凸轮UGCAM加工工艺及模拟切削仿真

2.1弧面分度凸轮加工设备

目前，加工弧面分度凸轮的设备主要有两种：（1）专用加工机床，采用专用夹具配合范成法加工原理，优点是加工精度和效率高；（2）五轴加工中心，立式摆头+转台（H-T）和双转台（T-T）加工中心比较适合弧面分度凸轮的加工，优点是一次装夹，五轴联动，可实现高速切削加工，夹具成本降低，加工精度高［2］。

2.2弧面分度凸轮的毛坯及装夹

弧面分度凸轮毛坯选用圆柱毛坯，毛坯的外半径选为凸轮的顶圆弧半径，毛坯的长度和中心轴直径按照凸轮的实际尺寸。前序工序精加工弧面分度凸轮的端面，配以中心轴作为加工装夹定位面。

图5　弧面分度凸轮毛坯

2.3弧面分度凸轮的UGCAM加工工艺分析

在UGCAM“multi-axis”多轴加工模块，“可变轴曲面轮廓铣”操作加工弧面分度凸轮采用“曲面区域”或“曲线/点”驱动方式都可以实现。曲线/点”驱动方式以分层铣削方式进行加工，类同于传统的范成法加工，刀具选用和滚子一致的几何参数。选用四轴加工中心，刀具按照滚子与凸轮的运动规律，在毛坯上包络出凸轮的工作轮廓曲面。此法加工路径少、效率高，但是沟槽两侧会同时加工，难以实现精加工磨削［3］。

“曲面区域”驱动方式以刀刃侧面铣削方式进行加工，采用“非等径加工”，刀具直径不必与滚子的直径相等，刀具中心始终位于凸轮工作廓面的等距曲面上，刀具与凸轮接触点的法线与曲面在该点的法线重合，采用的是仿自由曲面法实现弧面凸轮的五轴联动加工。此法虽然加工效率相对较低，但可以灵活选择刀具，易实现等精加工磨削。本文采用此法。

2.4弧面分度凸轮的UG CAM及模拟切削仿真

（1）粗加工：粗加工目的是去除大部分余量，兼顾经济性和加工成本的考虑，要求大的进给量和尽可能大的切削深度。进入UG CAM加工模块，选择多轴加工模块，创建直径为15mm的四齿端铣刀，切削速度v=150m/min，主轴转速 n=4000r/min，每齿进给量f=0.04mm，进给量 vf= 318mm/min。

创建“可变轴曲面轮廓铣”操作，选择“驱动方法”为“曲面区域”，“指定驱动几何体”为“凸轮底面”，“切削模式”为“往复”，“步距数”设为100，“刀轴”为“远离直线”，“投影矢量”为“刀轴”，“加工方法”为“MILL_ROUGH”，选择“切削参数”中的“空间范围”选项设为“使用3D”，单击“生成”按钮，生成刀具轨迹，并且生成IPW毛坯，如图6所示，切削仿真结果如图7所示。注意：本文以100步距方式生成模拟刀位轨迹，实际加工步距采用径向进给量7%刀具直径，深度进给量4%刀具直径，下同。

（2）精加工凸轮上/下表面：半精加工、精加工时兼顾切削效率和加工成本的前提下，主要保证零件的加工质量，创建r=12mm的四齿球头铣刀，切削速度v=200m/min，主轴转速 n=5000r/min，每齿进给量 f=0.02mm，进给量vf=424mm/min。

创建“可变轴曲面轮廓铣”操作，选择“指定切削区域”为“凸轮上 /下表面”，选择“驱动方法”为“曲面区域”，“指定驱动几何体”为“凸轮上/下表面”，“切削模式”为“往复”，“步距数”设为 5，“刀轴”采用“侧刃驱动体”，“指定侧刃方向”为“径向”，“投影矢量”为“朝向驱动体”，“加工方法”为“MILL_FINISH”，单击“生成”按钮，生成刀具轨迹，如图8、图10所示，切削仿真结果如图9、图11所示。

（3）精加工凸轮外侧表面：创建“可变轴曲面轮廓铣”操作，选择“指定切削区域”为“凸轮外侧表面”，选择“驱动方法”为“曲面区域”，“指定驱动几何体”为“凸轮外侧表面”，“切削模式”为“往复”，“步距数”设为 5，“投影矢量”为“刀轴”，“刀轴”采用“远离直线”，“加工方法”为“MILL_FINISH”，单击“生成”按钮，生成刀具轨迹，如图12所示，切削仿真结果如图13所示。

图6　弧面分度凸轮粗加工刀位轨迹

图7　弧面分度凸轮粗加工切削仿真

图8　弧面分度凸轮上表面精加工刀位轨迹

图9　弧面分度凸轮上表面精加工切削仿真

图10　弧面分度凸轮下表面精加工刀位轨迹

图11　弧面分度凸轮下表面精加工切削仿真

图12　弧面分度凸轮外侧面精加工刀位轨迹

图13　弧面分度凸轮外侧面精加工切削仿真

3　总结

本文采用UG NX的方程曲线功能实现弧面分度凸轮参数化实体造型设计。采用仿自由曲面法分析弧面凸轮的加工工艺，选用刀具选择合适的切削用量并确定走刀方式。基于UG CAM多轴加工模块，创建“可变轴曲面轮廓铣”操作实现弧面分度凸轮的刀位轨迹生成及模拟切削仿真。采用五轴加工中心一次装夹，实现高速切削加工弧面分度凸轮。

［1］曹巨江，李龙刚等.基于UG NX6.0的弧面分度凸轮三维实体建模与仿真加工［J］.机械设计与制造，2011，1（1）：169-171.

［2］孙永忠.弧面凸轮分度机构加工工艺的探讨［J］.装备制造技术，2010，5：108-109.

［3］胡自化，张平等.连续分度空间弧面凸轮的多轴数控加工工艺研究［J］.中国机械工程，2005，16（24）：2184-2187.

［4］窦湘屏，袁光明等.五轴联动加工中心加工弧面凸轮［J］.机械制造与研究，2010，12（20）：45-60.

［5］高长银，李万全等.UG NX7.5多轴数控加工典型实例详解［M］.机械工业出版社：北京，2012.

［6］姜厚文，杨浩.UG NX6固定轴与多轴铣培训教程［M］.清华大学出版社：北京，2010.

ProcessingPlanningAndMulti-axisMachining Simulation of Globoidal Cam Based on UG NX

Dong Xiaolan
Mechanic-electronicEngineeringCollege.SuzhouVocational University.Suzhou 215104

Based on the profile equation of the globoidal cam，parameterized solid modeling design of globoidal cam was completed in UG NX 8.5.Propose a machining planning of globoidal cam on five axismachiningcenterutilizingimitatefreeformsurfaceprocessing method.Perform the tool path generation and cutting simulation of globoidal cam in UG cam multi-axis machining module.

Globoidal Cam；Processing Planning；Multi-axis NC programming