基于UG和Vericut复杂曲面零件设计与加工

田美霞+杨英

摘 要：为了有效提高复杂曲面零件的加工质量和加工效率，该文首先分析复杂曲面零件数控加工的难点，接着以QQ公仔模型为例，论述了UG和Vericut软件在数控加工中应用过程，包括曲面造型、工艺安排、仿真加工、实体切削验证，结合3轴联动FANUC数控加工中心实现了实际的数控加工。通过实践表明，该方法提高了复杂表面零件表面加工质量，能缩短产品设计与制造时间，提高了生产效率。

关键词：自动编程 复杂曲面 数控加工

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0109-02

我国是制造业集中地，正面临着由制造大国向制造强国转变，运用先进的设计理念、方法、工具，做出有竞争力的产品非常重要。这些产品表面往往由复杂曲面构成，几何造型复杂，不可能用手工编程来实现。CAD/CAM技术的应用，能有效解决这些问题，帮助制造企业提高生产效率和竞争力。

复杂曲面零件的数控加工主要包括以下3个方面的内容：曲面造型、自动编程、数控机床加工。UG软件是一款先进和紧密集成的、面向制造业的CAD/CAE/CAM高端软件，UG有强大的实体造型功能和快捷高效的自动编程优势，使产品开发从设计到加工实现数据的无缝集成，优化企业的产品设计与制造。VERICUT软件不仅能够对NC程序进行仿真、验证、分析及优化，而且能够对机床进行仿真，可以大大提高零件的加工效率和机床的利用率。

1 复杂曲面零件加工难点分析

（1）模型表面光洁度的处理。要提高零件表面的精度和光洁度，模型的表面必须是几何曲面，几何曲面的精度是很高的，如果是网格曲面，可以使用曲面优化提高曲面精度。为提高零件表面光洁度，还需考虑精加工刀具路径采用的刀具、精加工刀具路径行距、精加工的吃刀量。一般曲面零件的精加工刀具路径采用球形铣刀生成，球形铣刀刀具直径选用不宜过大，采用直径较小的球头刀较为合理。精加工刀具路径行距分布应均匀、整齐，在保证加工效率前提下，尽可能缩小行距，使得曲面零件陡峭部分行距不稀疏。精加工的吃刀量的多少和被加工材料的加工硬化性有关，要设置合理的吃刀量，才能加工出较好的表面光洁度。

（2）挖槽铣削的下刀方式的选择。复杂表面零件表面加工往往需要挖“槽”铣削，挖槽铣削的下刀方式十分重要，要求下刀点留下的痕迹最少、最浅。下刀的方式主要两种，垂直下刀和螺旋下刀。挖槽时，如果采用垂直下刀，当下刀速度比较快时，工件被刀具冲击，刀具在工件里出现“撞刀”現象，会使工件表面的下刀点留下刀痕。但是当模型的“槽”比较特殊，如果采用等高线加工曲面表面时，它只能采用简单的垂直下刀方式，控制下刀速度，否则采用螺旋下刀容易发生干涉，产生过切现象。

（3）装夹定位基准一致性。正反两面装夹时如果定位基准不一致，将直接导致零件加工出现很大的误差。

（4）拐角处理。复杂表面零件表面往往有多个拐角组成，在拐角加工时需注意拐角处加工速度过快导致过切现象，刀具直径过大导致过剩现象。转角处要设置自动减速，一般由机床直接自动控制。如果机床控制系统本身不具备小拐角自动降速机制，则必须由CAM软件提供。CAXA 制造工程师中提供了拐角加工减速功能，它是在软件中根据路径的倾斜角度、角部角度、水平圆弧的半径为依据，做一定范围的降速调整。

（5）自动编程与实际加工的差别。自动编程完成仿真时没有发现工件过剩或过切，而实际加工完成后工件出现过剩过切。主要有以下几点原因：刀具过长，发生抖刀；粗加工和精加工的对刀因素，保证对刀准确，对刀基准面精度要求高；机床拐角时没有减速，在拐角处过切。

2 零件建模与数控加工

2.1 零件建模

考虑到QQ公仔模型工艺性、实用性、美观性等诸多特性，QQ公仔模型由身体、嘴部、翅膀、脚部、围巾、肚皮等部分组成。QQ公仔模型主要难点体现在翅膀、嘴巴、脚部、围巾部分的设计。QQ公仔模型身体主体造型采用回转命令和边倒圆命令完成。翅膀、嘴部、围巾、脚部的成型主要使用绘制相应的轮廓线、网格曲线、修剪等命令完成。肚皮主要由绘制椭圆、投影、分割面命令完成。

2.2 加工工艺分析

曲面零件的加工要考虑的是曲面的形状和粗糙度，QQ公仔模型是由多个曲面构成的零件，为了提高加工效率，可将模型划分为3个部分，正面、反面、QQ眼睛部分加工。无论是正面还是反面都是由多个曲面过渡自然联接而成，但是眼睛部分是由曲线构成。QQ公仔模型零件的毛坯材料定为铝合金，形状为60 mm×60 mm×200 mm的方料。工件采用平口钳装夹，需正反面两次装夹，装夹的时候需注意要保证采用同一定位基准。在QQ公仔模型的正面或反面的粗加工时，可以选择刀具直径较大的立铣刀来切除大量余量来提高加工效率；在半精加工时，选择刀具直径较小的立铣刀去除由于刀具直径过大导致粗加工无法加工到的地方；在精加工时，为保证QQ表面加工质量和精度，半精加工余量不宜设置过大也不宜过小，刀具选用直径较小的球头刀刀具直径。采用3轴联动FANUC数控加工中心，按照粗加工、半精加工、精加工的原则，依次完成模型正面粗加工、正面半精加工、正面精加工、眼睛轮廓加工、反面粗加工、反面半精加工、反面精加工。

2.3 设定加工环境及创建加工对象

从设计模块切换到加工模块，弹出“加工环境”对话框，在“要创建的CAM设置”列表框中选择“mill_contour”，其他默认，单击确定，完成加工环境设定。接着根据实际加工要求依次创建刀具、加工坐标系、创建加工方法、指定工件和毛坯等。

2.4 加工参数设定及加工轨迹生成

正反面粗加工：型腔铣主要用于曲面、斜度较小的侧壁、型腔型芯的加工，用型腔铣粗铣模型的大体轮廓，选用Φ16立铣刀去除大部分余量；正反面半精加工：粗加工时刀具半径较大，刀具无法对零件较小的区域铣削，导致还存着一定的余量，用Φ6立铣刀采用固定区域铣削方式对模型进行半精加工；正反面精加工：采用R3的球刀采用固定区域铣削，去除正反面模型最终余量；眼睛轮廓的加工：通过固定轮廓铣中的曲线驱动方法的设置，完成曲面上曲线槽的铣削加工，采用R1球刀，设置好相应的加工参数，最后生成轨迹。

2.5 加工仿真及G代码生成

对生成的刀具轨迹进行仿真模拟，检查轨迹中是否存在明显的过切、未加工到的部位及加工干涉现象。运用轨迹仿真功能，模拟实际切削过程，观察材料去除过程和进行刀具干涉检查，检验生成的刀具轨迹是否满足要求。得到正确轨迹后，生成G代码。

2.6 Vericut机床仿真与机床实际加工

Vericut软件能模拟在加工过程中刀具的切削、加工零件、夹具、工作台及机床各轴的运动情况，在进行真实加工之前，使用Vericut软件依次完成机床、夹具、零件、毛坯、切削刀具和NC代码等基本要素相关参数的设置，模拟加工的整个过程和加工结果。最后将优化后G代码通过计算机标准接口直接与机床连通，通过在线传输，机床根据收到的G代码加工程序进行加工。实际加工结果与原来预定的加工效果相一致，基本没有出现过切和欠切的加工表面，表面光洁度较好，表面精度较好。

3 结语

通过在3轴联动FANUC数控加工中心上完成复杂曲面零件铣削加工的实践证明，如果合理设置自动编程时的加工路径、切削用量、刀具参数，便能提高复杂曲面零件表面光洁度和精度，减少复杂表面零件过剩或过切现象的产生。经仿真切削可以保证程序的准确性和数控加工时的安全性，提高生产效率，缩短了生产周期，实现了高效优质的数控加工。

参考文献

[1] 李体仁，李佳.UG NX6.0数控加工[M].化学工业出版社，2010.

[2] 贺琼义.CAD/CAM软件多轴数控编程[M].国防工业出版社，2012.

[3] 李德贵.Mastercam9.0数控编程的下刀方式[J].机械工程师，2010（9）：113-114.