基于NX CAM的数控工艺与机床仿真分析

汪凯 李晓光 杨全军

摘 要：为解决复杂零件数控加工手动编程效率低、可靠性差等问题，现提出采用UG NX软件进行三维设计、数控工艺制定、模拟仿真，在此基础上将NX CAM后处理过的G代码导入数控设备，进行加工特型曲面的方法。通过试验件的检测分析，发现该方法具有一定的合理性和准确性，能够有效提高零件的加工效率。

关键词：数控工艺；NX CAM；仿真；检测

中图分类号：TH162 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0005-04

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and low reliability of manual programming for computer numerical control （CNC） machining of complex parts， this paper puts forward the use of UG NX software for 3D design， CNC process formulation and simulation. On the basis of this， the post-processing G code of NX CAM is imported into the CNC equipment to process the special curved surface. It is found that this method has certain rationality and accuracy， and can effectively improve the machining efficiency of the parts through the testing and analysis of the test pieces.

Keywords： computer numerical control （CNC） process； NX CAM； simulation； detection

序言

数控加工具有高效率、高精度等优点，已被广泛应用于机械加工领域。目前，许多学者针对数控加工的切削参数优化、工艺路线规划、刀具路径规划等都做过不少研究。本文从数控设备操作者的角度出发，提出采用UG NX软件进行三维设计、模拟仿真，以解决复杂零件数控加工手动编程效率低、可靠性差等问题。

UG NX软件是集产品结构设计、工艺路线优化、程序输出于一体的CAD/CAM软件系统，具有高效能的机械设计和制图功能，且生成代码交互性好，可通过其后处理构造器定制化与设备实现无缝对接，进而有效提高加工效率。

本文以一个具有一般球面外形、型腔结构的零件为例，详细介绍了代码生成及实物加工制造过程，并对零件的尺寸、形位公差等进行了测量。结果表明，该零件各项参数均符合图纸要求，该方法在生产实践中具有一定的应用意义。

1 实体造型及数控工艺

常规的机加车间加工的零件具有结构复杂、种类多的特点，且大多属于单件小批生产。目前，操作者主要采用手动编写G代码的方式进行加工，该方法存在效率低、可靠性差等问题，利用UG NX软件CAM技术进行自动编程并快速输出设备所需的数控程序可有效解决这一问题。

1.1 实体造型

如图1所示，该零件为连接块，它具有螺纹孔、球面、型腔等结构，整体加工难度适中[1]。通过UG NX进行三维设计，零件实体造型如图2所示，进入UG NX的CAM模块，利用UG NX的后处理构造器定制MAZAK四轴机床的控制系统，可生成准确控制MAZAK_PFH_4800的G代码。

1.2 工艺分析

该连接块由六个面组成，前、左侧表面分别包含半球与型腔，另外四个均为平面，粗糙度要求Ra3.2。其中，半球与型腔是加工难点，基于生产车间实际情况，特采用以下加工方案：

零件毛坯为150mm×120mm×120mm的方料，将其装夹到PFH_4800卧式加工中心工作台上，先铣削四个工作平面，后加工型腔与半球平面；通过NX生成的数控程序，依次完成型腔、半球的銑削，最后钻孔、攻螺纹，以实现零件成型加工。

1.3 数控工艺的制定

该连接块零件的切削加工为了达到较高的表面质量和形位公差要求，毛坯加工至零件采取三次定位装夹，先使用铣刀完成连接块六个表面的加工，然后使用钻头进行预钻孔的加工，再使用平头铣粗铣型腔、半球面，最后使用球头铣刀将连接块加工至满足图纸要求。零件整体的加工思路是粗加工→半精加工→精加工[2]，具体的加工工序分析如下：

粗铣、半精铣毛坯表面：单次走刀铣平面，工作台分度旋转90°，即可完成侧面四个待加工面的铣削加工，刀具路径采用平行加工，平面度可以得到一定程度的控制。

预钻盲孔：主要是通过钻、精铣的工步加工成φ30孔，采用的是环绕等距加工方法，设定使用U钻，大幅降低盲孔底部锥度，满足零件使用要求[3]。

型腔：主要是通过粗铣型腔侧壁、精铣型腔底面的工步加工Ra3.2。

半球面的铣削：主要是通过粗铣、半精铣与精铣达到表面质量要求，分别采用了型腔铣、深度加工轮廓铣与固定轮廓铣的刀轨生成方式。

螺纹孔：先钻成四个螺纹底孔，倒角完成后，开始攻丝，走刀时选择周边路径，避免出现钻孔过程中出现干涉半球面的情况。

结合以上的数控工艺分析，最终确定切削参数如表1所示的加工工艺。

2 机床构造及加工仿真

基于UG NX软件，建立PFH_4800机床数字化样机、组合夹具元件与刀具，以模拟实际工况，从而实现组合夹具装夹、碰撞检测仿真、工时定额。

2.1 建立仿真结构Mazak_PFH_4800

首先在UG NX软件源文件resource目录下建立文件夹PFH_4800，然后在该目录下建立三个子文件夹，分别用于存放机床模型、后置处理文件与机床控制文件。在此基础上新建PFH_4800.dat，使用文本编辑器编制调用机床文件的指令，内容如下：

Mazak_PFH_4800，${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLE

D_MACHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_

PFH_4800_Post.tcl，

${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_DI

R}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_PFH_4800_Post.D

EFCSE_FILES， ${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MA

CHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼cse_driver＼Mazak_PFH_480

0.MCF

2.2 建立机床运动学关系模型

在UG NX软件中打开机床构造器，将机床名称修改为PFH_4800_1，开始建立机床组件，在机床PFH_4800_1上右键→插入→机座组件，过滤器选择为组件，将不参与运动的机床组件都选择为机座组件几何体，机床零点定义在主轴端面，在MACHINE_BASE下依次插入机床组件。

建立完成后，需要进行初步的轴定义检验，在机床导航器空白处右键→预览运动→显示机床轴位置，拖动各轴的拖动条，观察各轴运动情况是否正确，如需修改，选择编辑轴的功能进行编辑。

轴的运动关系建立完成后，配置通道，将所有未指派的轴添加到通道中，然后指定主轴和各几何轴，建立完成机床的运动学关系模型，如图6所示，为配置器完成后的结果。

2.3 机床仿真操作

在工序导航器空白处右键点击机床视图，切换到机床视图，从库中调入机床，库类选择为MILL，选择PFH_4800，通过采用装配约束定位，使用组合夹具将零件装夹到工作台上。如图7所示，方料通过压板和垫块，在工作台上进行装夹。

在工序导航器中，在仿真控制面板中选中显示3D除料、显示刀轨，选择机床代码仿真模式查看仿真过程。仿真完成后，关闭仿真控制面板。

3 零件检测

通过以上数控工艺的选择，采用试切法获得较好的加工参数，最终完成两个主要工作面的加工，零件完工后的实际效果如图8所示。

在零件加工图纸中，型腔底面要求Ra1.6，半球面SR20（+0.1，0）。试验件加工完成后，使用表面/轮廓综合测量仪对连接块型腔底面进行粗糙度测量，其Ra = 1.5199μm；使用三坐标测量仪可以测得试验加工的零件半球面SR=20.0751mm；均满足图纸中对零件质量的技术与尺寸要求。综合检查该零件，无明显接刀痕，零件加工質量较好。

4 结束语

本文针对具有规律曲面外形的零件，通过UG NX软件进行工艺分析、零件建模、定制后处理、制定数控工艺并制作加工仿真，使用后处理生成的NC程序进行生产加工，在PFH_4800四轴卧加上完成实体加工。这是为了生产车间一线实施的数字化样机项目所做的前期测试阶段，UG NX CAM编程结合产品生命周期管理系统PLM、车间生产一线管理系统MES可以实现统一进行上传、校核、分发数控程序。仿真结果证明，开展数控机床设备建模、零部件加工仿真并进行生产制造是可行的，可将该方法推广到一般的车间生产实践中。这对于具有复杂曲面零件的加工和量产具有一定指导意义。

参考文献：

[1]刘明.基于UG软件的机械制图课程虚拟化教学[J].辽宁师专学报（自然科学版）.2017，1.

[2]念勇，张荣，黄恒，等.基于四轴机床的手机实体建模与加工[J].金属加工（冷加工），2013（3）：69-71.

[3]徐昌鸿，张树生，黄波，面向数控工艺重用的三维CAD模型局部结构检索，[J].计算机集成制造系统，2017，8.