动车组轴箱体机加工仿真验证的应用研究

贾广跃，宋福田，管益辉

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

为推进中国制造2025[1]，工信部2016年组织实施了“智能制造综合标准化与新模式应用”系列项目，高铁作为国家名片，中车青岛四方机车车辆股份有限公司承担了“高速动车组关键零部件智能制造新模式应用项目”的实施。转向架是时速350 km动车组的走行部分，轴箱体是转向架的关键部件，其内孔与轴承配合，连接构架和轮对，在承受列车质量的同时，给列车传递动力。目前轴箱体数控编程仍然依靠手动进行，手工编程效率低，无法进行有效的仿真验证，数控程序调试需要在现场设备进行调试。因手工编程质量不能保证，在程序调试过程中，轻则损坏工件、刀具，重则导致设备撞刀，主轴损坏。因此，手工编程存在着编程效率低下、程序可读性差、程序调试时间长、设备安全性差等棘手问题。此外，由于加工中心、四轴、五轴设备程序的复杂性，手工无法编制出复杂的程序，数控设备得不到有效利用。随着计算机技术的发展，CAM编程软件逐渐走向成熟，掌握成熟的CAM软件，设计可靠的数控程序，有效利用计算机仿真验证技术已成为工艺人员必须掌握的核心技术。

1　加工仿真验证环境构建和软件工具

机加工数控程序设计、数控程序仿真验证和产品、设备、夹具、刀具三维模型设计可利用现有的较为成熟的商业软件构建。目前主流 CAM平台已基本完整地涵盖机加工数控程序设计与仿真验证, 一般包括建模工具、高级加工仿真包、仿真创建工具、特征加工创建工具等核心模块。利用已成熟的加工模板和加工知识库可有效管理企业的数控工艺经验，提高数控编程的标准化水平。利用CAM的仿真解决方案和G代码驱动的真实仿真引擎，极大简化数控程序检查的过程，提高程序的准确度和可靠性，提高数控程序的安全性。 产品、设备、夹具、刀具可以使用成熟的三维CAD软件CATIA、PROE、NX等设计。一个典型的由三维CAD软件设计的轴箱体零件夹具模型如图1所示。

图1　夹具模型

2　三维数控编程和机加工仿真验证的工艺研究

2.1　数据输入接口

动车组轴箱体采用PROE或CATIA三维CAD软件设计后，有两种方式转化为NX CAM所需的模型。一种是采用三维CAD软件转换为STP/IGES等格式[2]，然后NX CAM再读入中间格式文件。另一种可以采用NX CAM转换模块，直接转换PROE或CATIA三维模型为NX CAM所需模型。通过在几何质量、尺寸精度、几何面属性等方面对比，三维模型特征保持不变，轴箱体数据检查界面如图2所示。加工设备为4轴联动卧式加工中心，设备三维模型采用修改标准模型sim03_mill_4ax_fanuc获得，工作台修改为630×630，修改主轴尺寸，满足仿真验证要求。

图2　轴箱体数据检查

2.2　数控程序设计及仿真验证

加工模板在NX CAM系统中起着关键的作用，是NX CAM系统的基础[3]。以轴箱体第一工序加工为例，在NX CAM中进行数控程序设计流程如下：

(1)在工艺设计平台环境TCM中，把数控加工的零件发送到TCM工艺设计环境中，使用规范的工艺设计模板创建结构化数控工艺[4]。轴箱体结构复杂，轴箱体除上、下、前、后、左、右周身加工外，轴承孔加工也较复杂。采用可旋转工作台的4轴联动卧式加工中心，设计2个工序，第一工序的夹具设计如图1所示。

(2)通过TCM和NX CAM的集成环境创建工序，为该工序指定所需的三维模型资源，如4轴联动卧式加工中心和夹具等。刀具可使用简化的三维模型，采用其他三维CAD设计详细的三维模型有助于后续仿真验证的安全性检查，尤其应用于空间干涉碰撞检查。

(3)创建工件坐标系，以轴箱体轴承孔中心为基准，建立工件坐标系[5]。

(4)定义轴箱体毛坯，采用NX CAM同步建模技术，识别工件特征[6]，快速创建工件毛坯，取消12×M20、M12、2×M6螺纹，对于平面增加1～2 mm余量，对于轴承孔等增加2 mm余量。

(5)定义刀具，轴箱体第一工序使用16把刀具，面铣刀、玉米铣刀、φ17.5钻头、φ10.3钻头、M12、M20丝攻、倒角铣刀、外圆镗刀和立铣刀等。

(6)设置每个工序采用的切削方式。NX CAM 提供了钻孔循环、丝攻、镗孔等点位加工编程，具有多种轮廓加工、等高环形行切及岛屿加工平面铣削功能[7]。通过交互手段选择被加工的几何体或其中的加工区域、毛坯和避让区域等。根据轴箱体加工工艺流程，首先进行平面铣，选择轴箱体弹簧面、圆柱端面、下平面和减振器座平面等，进行平面铣削。再进行型腔铣，最后进行钻孔、倒角和攻螺纹。

(7)设置刀具切削参数，包括主轴转速、切削进给、切削液控制。程序参数设置包括对进退刀位置及方式、切削用量、行间距、加工余量、安全高度等。走刀形式直接影响加工的表面质量，平面轮廓铣削加工可以采用往复走刀行切，对于轴箱体弹簧面必须采用螺旋进给方式，避免往复加工出现接刀影响轴箱体的表面粗糙度。轴箱体下平面采用往复走刀方式。设置刀具的安全退刀距离为φ800，完成每个工步后，退刀至安全距离，再进行下一工步的切削，充分保证加工设备的安全性。

(8)自动产生刀具轨迹。在完成参数设置后，即可将设置结果提交给NX CAM系统进行刀轨的计算，自动产生的刀具轨迹如图3所示，这一过程由NX CAM软件自动完成。

图3　刀具轨迹

(9)后处理，根据刀具轨迹和已设置的工艺参数，结合数控机床的性能及其所要求的数控程序格式[8]，生成该机床所能识别的数控加工G代码程序[9]，后处理过程如图4所示。

图4　后处理过程

(10)刀具轨迹的仿真验证。为确保数控程序的安全性，必须对生成的刀轨进行检查校验，检查有无明显刀具路径错误、有无过切或者加工不到位，同时检查是否会发生与工件及夹具的干涉。实时对切削过程进行仿真验证[10]。检查工件、设备主轴、夹具状态，有助于及时发现过切、碰撞、超限程等问题，从而提早纠正错误，实现事前管理。在三维设计环境下，通过编程过程的可视化，便于检查刀具切削过程，多角度查看刀具轨迹和刀具切入切出情况，从而优化轴箱体加工工艺，提高设备切削效率。对仿真验证中发现问题的程序，应调整参数设置重新进行计算，重新进行仿真验证，轴箱体仿真验证界面如图5所示。

图5　轴箱体机加工仿真验证界面

3　数控文档管理

NX CAM 数控设计过程中所需要的产品三维模型设计数据、刀具、机床、切削参数、模板等都从

工艺设计平台TCM系统中获得，而NX CAM系统产生的各种输出文件，如NC程序、刀轨源文件、仿真验证AVI文档等都将直接由TCM系统管理，确保数据的唯一性，从而达到协同设计的目标。

4　结论

通过对动车组轴箱体某典型工序加工过程的数控程序设计与管理研究，定义了企业内部的相关管理制度，规范了模型准备、刀轨创建、后处理及工艺文档输出的整个过程。实践证明，采用结构化模式组织编程所需的刀具、工序、切削参数等资源，有助于企业建立统一的CAM设计规范，提高机加工数控编程效率，缩短在生产现场设备调试时间，提高数控编程的安全性。

参考文献：

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