基于UG的数控多轴加工工艺优化设计

杨鹏飞 王军歌

摘要： 本文主要针对叶轮等复杂结构零件在四轴、五轴加工刀路建立过程中可能出现的问题，利用UG软件的多轴铣模块对可能对加工刀路产生影响的刀轴、驱动方法以及投影矢量等进行了综合试验研究。根据研究结果来看，通过插补矢量类型可以对刀具的路经进行优化，以此避免刀柄以及刀具等工件之间产生的碰撞。

关键词： UG;数控多轴加工;工艺优化

引言

数控技术的发展为工业生产带来了巨大的助力，一些数控软件的多轴加工功能，通过加工代码的编写可以对零件的加工刀路进行合理的优化。UG软件的多轴加工非常适用于复杂零件的制造，传统的固定轴加工方式无法进入的领域都可以通过该软件获得解决。UG软件的多轴加工主要包括可变轴曲面轮廓铣和顺序铣，前者的应用相对而言更加广泛。

四轴联动设备加工刀路的优化

在数控加工领域，多轴加工通常是指四轴联动或是五轴联动加工，具体是基于CAD或是CAM软件生成特定的刀路，之后通过专用后置处理模块将其进行一定的转化一定的代码，使其能够被数控设备所配备的数控系统所识别。这种模式可以有效的解决一些复杂结构零件加工困难的问题，而加工刀路的构建则决定了零件加工的效率和质量。通常来讲，判断加工刀路是否合理需要考虑的因素包括是否存在过切、少切、空走刀现象、刀具、刀柄以及夹持器和工件之间是否存在相互干扰等。本文主要探讨的是四轴联动和五轴联动设备在加工复杂结构零件时的刀路优化问题。

叶轮叶片等复杂结构零件在加工时需要考虑流体力学、空气动力学等诸多专业领域的知识，因此对加工进度有着极高的要求。传统加工工序具有步骤复杂，消耗时间长，加工质量低等问题，因此人们开始利用数控机床，尤其是先进的五轴数控机床进行叶轮叶片的加工，这样可以最大程度的保障加工质量和精度。而为了满足此类复杂结构零件的加工要求，即使采用多轴联动设备依旧需要对加工工艺进行优化。

四轴联动设备主要包括四轴四联动和五轴四联动等数控设备，但是其程序每一行最多只能设置4个加工坐标，这必然会对零件加工刀路的生成产生一定的限制。例如，在利用UG软件的多轴加工中的可变轴曲面轮廓铣功能对某陀螺零件进行加工时，驱动方法可以选择曲面区域，投影矢量选择刀轴、刀轴选择远离直线，4轴垂直于驱动体以及4轴相对于驱动体等方式。若是选择远离直线的加工刀路，在将曲面轮廓向外扩大时会导致刀具和工件之间相互碰撞的几率大幅度提升。为了避免刀具和工件发生碰撞，可以适当的加长刀具的长度。但是在设备高速运转的条件下，加长刀具长度意味着刀具悬伸长度的增加，这会使导杆的稳定性出现下降，威胁到零件加工的质量。

对此此类问题，UG软件的刀轴选项中设置有一项特殊的刀轴功能——插补矢量，其作用是在空间的任意位置对刀轴进行控制，这样就可以有效解决上文中涉及到的问题，但这本质上已经达到了五轴刀路。在具体操作的过程中，首先应将系统默认的相关矢量删除，之后旋转零件的旋转轴，使其达到接近水平的位置，按F8键，使用鼠标單击旋转轴，拖动鼠标将零件旋转到位。此外，插值方法还可以选择光顺选项，这样做可以使刀具的运动轨迹实现光滑过渡，防止其在机床运动的过程中出现速度不稳定的现象，影响到设备的正常运行。在最终形成的刀路图中，所有刀轴的方向全部相同，这样就可以避免刀具和工件碰撞的现象发生。

叶轮叶片如果采用四轴联动设备进行加工时也会出现与上述类似的问题，利用UG软件可变轴曲面轮廓功能对叶轮叶片进行加工的过程中，生成的加工刀路图也存在刀具和工件碰撞的情况，对此依旧可以采用插补矢量的方式解决。在具体操作时，可以采用添加刀轴矢量的方式避免问题刀路，并在适当的位置添加新的刀轴矢量，生成新的刀路。经过矢量调整之后，加工刀路明显获得了有效的改进，刀具和工件之间的碰撞干涉问题也得到妥善解决。在刀路调整后，若仍旧存在不光顺的问题，可以通过继续添加刀轴矢量的方式对其进行优化。

五轴联动加工刀路的优化

工业生产中最常见的五轴联动加工设备为五轴联动加工中心，在利用可变轴曲面轮廓功能对陀螺零件进行加工时，选择曲面区域作为驱动方法，选择刀轴作为投影矢量，刀轴选择垂直于驱动体，相对于驱动体，插补角度至部件、插补角度至驱动方式，生成五轴联动加工刀路。

上述提到的几种道路在加工中均有可能出现刀具和工件相互碰撞干涉的现象，对此，可以采用第一章节提到的方法对刀路进行优化，避免刀具和工件的相互干涉。为了使刀路变得更加光顺和紧凑，可以对加工区域边界刀轴矢量的方向进行调整，转动图形找到一个刀具和工件不会产生碰撞干涉的角度。对于叶轮叶片等结构较为复杂的零件，如果采用五轴联动设备进行加工，可以利用UG软件中自带的专用叶片加工模块，这样可以快速有效生成最佳的叶轮叶片五轴联动加工刀路。

结语

综上所述，在使用数控多轴设备进行复杂结构零件加工的过程中，加工工艺优化可以有效提高零件加工质量。本文以UG软件的GAM功能模块为基本，对复杂结构零件多轴数控加工工艺优化问题进行了分析研究，采用插补矢量的方法解决了工件和刀具之间相互碰撞干涉的问题，实现了加工效率、质量的提升。但需注意的是，在加工刀路优化完成后，还需进行加工参数优化、工装夹具优化等相关内容。

参考文献

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佛新岗.基于UG的数控多轴加工工艺优化设计[J/OL].工具技术，2019（10）：1–3.

刘婧，石皋莲，崔勇.基于UG CAM的发动机叶片数控加工编程的研究[J].电脑知识与技术，2019，15（19）：250–251+262.