基于UG的数控多轴加工工艺优化设计分析

李瑞

摘要：当前制造业零件形态的复杂化与高精度推动传统多轴加工模式向联动加工模式变革，对于数控机床加工领域的工艺性能优化提出现实要求。本文针对四轴联动加工、五轴联动加工工艺优化技术方案进行分析，以某风力发电设备叶轮叶片零件加工为例，利用UG平台完成该零件的参数化建模与运动仿真分析，并通过运行后置处理程序保证零件加工精度与效率，为数控多轴加工提供参考价值。

关键词：UG软件;数控机床;多轴加工;优化设计

引言：UG软件基于多体系统理论为数控机床加工精度提供保障，被广泛应用于轮胎、发动机及发电设备等工业制造领域的零部件加工环节。数控多轴加工主要利用UG软件提供的功能模块将工艺参数转换为数控代码，供数控系统完成复杂零部件的高质量加工，对于提升数控加工效率、保障安全生产具有重要现实意义。

1数控多轴加工工艺优化技术

1.1四轴联动加工

四轴联动加工中心通常包含四轴四联动、五轴四联动两种类型，在数控程序中单行仅支持4个加工坐标，一定程度上影响到加工零件的刀路生成效果。通过引入UG软件的可变轴曲面轮廓铣功能模块，选择曲面区域进行驱动，以刀轴作为投影矢量，初步完成零部件加工参数的设置。在此基础上，刀轴选择远离直线刀路，将工件的曲面轮廓进行外扩，可检测到刀具存在与工件碰撞干涉的可能性;当刀具分别选择4轴垂直于驱动体和4轴相对于驱动体时，均存在碰撞干涉现象，倘若选择增加刀具悬伸的方式，易在设备高速运行过程中削弱连接刀具杆件的稳定性，进一步降低工件加工精度。

为解决现有加工工艺存在的问题，可在UG软件中选择刀轴模块的插补矢量功能，由系统默认生成工件的插补矢量刀轴刀路，并对工件上4个位置的矢量做出标记。先将刀具上已标记的4个位置以外的矢量删除，控制旋转轴旋转至水平方向，点击启动菜单功能，选中Z轴将零件旋转到位后进行固定，并完成视图方向的设定。随后通过选择光顺插值，使刀具移动轨迹保持平顺过渡，保证刀具在数控机床加工过程中始终保持匀速运行，由此生成的刀轴均保持同向，有效优化刀路，防范出现碰撞干涉问题。

1.2五轴联动加工

五轴联动加工中心主要采用五轴五联动模式，同样借助可变轴曲面轮廓铣功能模块进行工件加工，在沿用四轴联动加工参数的基础上，分别设置插补角度至部件、至驱动两种方式生成刀路。

为解决加工工艺中的干涉问题，可借鉴四轴联动加工模式实现刀路的优化设计。当优化后的刀路仍未实现光滑过渡，可选择工件边界部位调整刀轴矢量，随后沿旋转轴控制旋转角度，调至与工件间无干涉可能，并设置视图方向固定，完成刀路的二次优化。

2基于UG的工艺优化设计应用

2.1工件情况

以某100KW风力发电机组为例，该风机叶轮为直纹螺旋面回转体结构，包含15个叶片。叶片由硬铝材料制成，呈螺旋上升状，叶片厚度为1.77～3.2mm，轴向宽度为10mm，最小曲率半径为R5。为改善加工切削率，选用302×122mm棒材进行硬铝材料的加工，利用10mm立铣刀进行粗加工，后更换6mm球头铣刀进行精加工，在加工过程中控制主轴方向的垂直度，通过将工件装夹抬升防范干涉问题。

2.2参数化建模

考虑到工件曲面形态较为复杂、加工精度要求高，选用UG软件建立叶片参数化模型。根据工艺规划思路设置工件基本参数，依据床身、Y轴、X轴、Z轴、A轴、C轴的顺序分别在数控机床上添加相应组件，建立组件的三维实体模型。

2.3数控编程

利用虚拟装配功能模块进行组件加工过程的数控编程设计，先依照预先设定好的加工顺序完成组件的添加，执行具体加工工序。随后结合粗加工、精加工选中的刀具建立父级组件，分别输入刀具参数，在粗加工环节，根据工件尺寸、刀具类型，选用型腔铣加工模式;在半精加工环节，结合粗加工预留残余量，运行深度五轴铣加工工艺;在精加工与清角环节，根据工件尺寸与加工材料，选择可变轴曲面轮廓加工模块。接下来建立工件加工坐标系，设置叶轮前倾角、侧倾角，避免后续刀具运行过程中出现干涉碰撞问题，确保将工件各表面全部加工到位，并通过调节残余高度完成曲面的驱动，借此有效控制刀具运行轨迹，提高叶面加工精度。最后运行组件加工程序，收集不同环节的切削参数，如将铣削粗加工环节残余量0.6mm、公差0.03mm输入UG软件中，经由程序运算后自动生成加工方法组，形成优化后的刀具运行轨迹，进入后续仿真环节。

2.4仿真分析与后置处理

在仿真分析环节，在机床构建器模块中创建包含主轴、回转工作台及工装夹具等部件的5坐标机床的运动仿真体系，选用立式铣削加工模式，建立不同组件的连接点与运动轴，并设置运动轴幅度与方向。随后运行后置处理文件功能模块，将轴限制的最大、最小值分别设置为120和-100，完成加工文件的添加与保存，并且在视图窗口中调用库类选择模块，将5坐标立式铣削加工数控机床模型导入。待完成五轴联动数控机床程序装载后，分别运行叶片加工程序，新建五轴后处理器执行节点操作，生成后置处理程序，并通过启动文件获取到程序片段，完成叶片加工。

结论：通过利用UG软件建立数控多轴加工程序，根据待加工零部件的加工需求完成工艺参数的设置，充分利用刀具側刃进行工件螺纹面的加工，借助平底刀底面完成工件直纹面的加工，并且通过调节前、侧倾角等工艺参数，有效防范在数控加工过程中出现刀具与工件干涉碰撞问题，为复杂零部件产品加工效率与加工精度的提升创设保障。

参考文献：

[1]王件华.基于UG和PowerMill的多头丝杠五轴加工应用[J].轻工科技，2020，（10）：53-54.

[2]陆龙福，赵世田.基于UG NX的数控机床多轴加工碰撞仿真研究[J].2021，（05）：96-99.