吳先文，李 麗，張 丹，李 雷

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000；2. 中國二重集團(tuán)公司，德陽 618000）

基于UG的大型十字萬向接軸法蘭叉頭的數(shù)控加工技術(shù)研究

吳先文1，李 麗1，張 丹1，李 雷2

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000；2. 中國二重集團(tuán)公司，德陽 618000）

0 引言

隨著軋鋼設(shè)備朝著大型化、連續(xù)作業(yè)化和高速化方向發(fā)展，對軋機(jī)主機(jī)的安全過載保護(hù)要求越來越高，對軋機(jī)主傳動(dòng)用十字萬向傳動(dòng)軸要求也越高。其中SWC型十字萬向接軸關(guān)建零件法蘭叉頭采用整體式結(jié)構(gòu)，由于其型腔曲面為復(fù)雜空間曲面，其制造水平的高低直接影響到整個(gè)十字萬向接軸質(zhì)量。長期以來其型腔曲面完全依賴鑄造成型，由于毛坯曲面不規(guī)范和鑄件變形，裝配后影響十字包轉(zhuǎn)動(dòng)，傳統(tǒng)的解決方法是：先對產(chǎn)品進(jìn)行試裝，對影響裝配和轉(zhuǎn)動(dòng)的部位做記號后憑經(jīng)驗(yàn)上機(jī)床加工，修完后再裝配，若達(dá)不到要求重新上機(jī)床修型，這樣不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且零件強(qiáng)度也無保證。運(yùn)用UG NX CAM技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上對鑄件復(fù)雜曲面進(jìn)行檢查及修型，已成功地用于多臺1450軋機(jī)項(xiàng)目的十字萬向接軸制造。

1 CAD建模

1.1 法蘭叉頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝分析

SWC型法蘭叉頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件毛坯為鑄件ZG42CrMo，法蘭盤直徑D=Φ550mm，軸承孔直徑d=Φ255N6mm，型腔曲面相對于法蘭盤ΦD中心線、軸承孔Φd中心為對稱結(jié)構(gòu)，型腔由兩段R圓弧，且弧面呈30o、17o包絡(luò)，包絡(luò)的弧面與兩側(cè)45o斜面相交，腔底為7o斜面。該產(chǎn)品使用傾角大15o相互運(yùn)動(dòng)件容易產(chǎn)生干涉，由于鑄造時(shí)漲箱、重要尺寸產(chǎn)生較大誤差等原因的影響，致使實(shí)際鑄造叉頭可能存在與相關(guān)件嚴(yán)重干涉(鑄造時(shí)重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差大)或者重要部位的強(qiáng)度減弱（鑄造時(shí)重要尺寸偏差比圖紙給出的偏差?。┑膯栴}，從而對產(chǎn)品的生產(chǎn)和質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。

圖1 SWC型法蘭叉頭

制造難點(diǎn)分析：

1）由于鑄造實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)尺寸差距很大，有的部位多達(dá)8-10mm，有些部位又有缺肉，因此確立合理的工步是該型腔曲面檢查及加工的關(guān)鍵。

2）法蘭叉頭鑄造毛坯零件加工余量不均勻，在加工中材料去除量較大，因此提高加工效率是一個(gè)難點(diǎn)。

3）法蘭叉頭的型腔面一次走刀中去掉的金屬體積較大，必須考慮刀具壽命，減少停機(jī)換刀時(shí)間。因此選擇合適的刀具參數(shù)，使用合理的切削用量尤為重要。

4）法蘭叉頭加工是在三坐標(biāo)數(shù)控鏜床上加工自由曲面，加工質(zhì)量和效率對加工程序要求高。

1.2 建立數(shù)字模型

將設(shè)計(jì)提供的利用三維CAD技術(shù)及先進(jìn)的有限元分析軟件優(yōu)化后的三維模型stp文件導(dǎo)入到UG NX4中，在UG NX4建模模塊中將法蘭叉頭曲面分成A、B、A面（如圖2、圖3所示）。

圖2 法蘭叉頭曲面的分割

圖3 法蘭叉頭三維模型

2 確定數(shù)控加工工藝方案

2.1 劃分?jǐn)?shù)控加工工步

由于型腔曲面鑄造公差大，加之鑄件漲箱變形，造成毛坯余量不均勻、不對稱，為了提高加工效率， 先將型腔曲面分割成A、B、A面，按單邊留量6mm，將型腔曲面走刀檢查一遍，確定工件余量，再根據(jù)余量情況制定加工流程，如圖4所示。

圖4 加工流程圖

1）如果觀察沒有余量，可加大機(jī)床轉(zhuǎn)速和走刀，快速完成型腔曲面的檢查。

2）如果A、B面均有加工余量，量大則先執(zhí)行A、B面分別粗加工程序，再執(zhí)行A、B面同時(shí)精加工程序；量小則直接執(zhí)行A、B面同時(shí)精加工程序。

3）如果A面或B面單邊有加工余量，則只執(zhí)行A面或B面粗、精加工程序。

2.2 選擇加工設(shè)備

宜選擇帶回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控鏜銑床，結(jié)合工件外形尺寸及重量，考慮到該零件只對其型腔面進(jìn)行修形，綜合機(jī)床的加工能力及主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等性能，選擇TK6111數(shù)控鏜床有利于提高效率。

2.3 選用加工刀具

由于型腔曲面的加工表面質(zhì)量要求不高，粗、精加工用同一把刀，選擇了75°可轉(zhuǎn)位面銑刀，刀具直徑Φ160，該刀具可改變每層之間的波峰殘留，減少分層密度，同時(shí)可采用大進(jìn)給量，效率高、性能可靠。刀片可換，即使在長時(shí)間切削中磨損后，暫停程序換刀片，此時(shí)刀具長度等參數(shù)均未變，然后繼續(xù)執(zhí)行程序即可。

2.4 確定切削用量

為了保證切削速度均勻、切削載荷較穩(wěn)定，減少刀具、機(jī)床所受的沖擊，同時(shí)提高加工效率，以“小切深大走刀”的高速切削原理來規(guī)定切削用量。

切削深度：以數(shù)控程序分層加工需要達(dá)到的要求，粗加工ap取5～8mm，精加工ap取1～2mm；切削速度Vc＝300m/min；主軸轉(zhuǎn)速：n=1000r/min；進(jìn)給速度：f=1000～1500mm/min。

2.5 設(shè)計(jì)數(shù)控程序

編制加工法蘭叉頭型腔曲面程序是數(shù)控加工的重要環(huán)節(jié)，優(yōu)化刀具路徑、選擇合理進(jìn)退刀方式對加工質(zhì)量和效率至關(guān)重要。編程采用UG NX4平臺進(jìn)行自動(dòng)編程方式。為保證加工連續(xù)性和提高效率，采取通過程序自動(dòng)根據(jù)毛坯具體情況分刀進(jìn)行數(shù)控程序的設(shè)計(jì)。

2.5.1 確定編程原點(diǎn)和加工坐標(biāo)系

按照加工坐標(biāo)系MCS和WCS坐標(biāo)系重合的原則，以ΦD和Φd的中心交點(diǎn)為定G54，這樣在加工過程中能盡量減少碰撞發(fā)生，同時(shí)方便對刀及加工前的程序檢查（如圖5所示）。

圖5 工件坐標(biāo)系的確定

2.5.2 設(shè)計(jì)數(shù)控程序加工路線

在NX CAM中的操作對應(yīng)每個(gè)加工工步。根據(jù)工序的劃分，在NX CAM中建立程序組，并將程序組名規(guī)范化，避免因程序多導(dǎo)致操作失誤。根據(jù)選用的刀具創(chuàng)建刀具模型參數(shù)和加工參數(shù)（如圖6所示）。創(chuàng)建各工序的工件包括零件、毛坯和加工坐標(biāo)系等加工幾何體和操作（如圖7所示）。

2.5.3 設(shè)計(jì)數(shù)控程序刀具路徑

NX加工模塊中提供了三軸加工和多軸加工模式，法蘭叉頭的加工要求以及加工機(jī)床的功能，我們采用CAVITY MILL（型腔銑）方式，用法蘭叉頭的自由曲面作為驅(qū)動(dòng)面，以平行于水平面的不同深度平面與型腔面相截，產(chǎn)生的截面線再偏置一個(gè)刀具半徑，產(chǎn)生刀具路徑（如圖8所示）。這樣通過分層的數(shù)控程序即（2.5軸聯(lián)動(dòng)加工）生成刀具軌跡，避免加工中扎刀現(xiàn)象，盡量多的運(yùn)用圓弧插補(bǔ)來加工型腔面的輪廓，使得走刀路線大大縮短，加工時(shí)間縮短，且加工的表面光度好，使得后續(xù)的打磨工序工作量減少。

圖6 刀具參數(shù)模型

圖7 加工幾何體和操作

圖8 程序的刀路設(shè)計(jì)

2.5.4 后置處理

機(jī)床后置模塊的作用是生成可使用的G代碼程序。在實(shí)際運(yùn)用中，發(fā)現(xiàn)在圓弧插補(bǔ)上用IJK方式后置處理的G代碼在機(jī)床上模擬報(bào)警出錯(cuò)，其原因?yàn)閿?shù)據(jù)計(jì)算累積錯(cuò)誤。最后后置處理器改為CR的方式，產(chǎn)生的程序運(yùn)行通過。系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生NC程序段格式如下：

毛坯檢查程序：（flct.txt）

2.5.5 加工仿真及程序校驗(yàn)

為了保證程序的可加工性，減少實(shí)際試制時(shí)間，節(jié)約費(fèi)用，將生成的加工程序在軟件上進(jìn)行仿真加工。通過仿真可對程序進(jìn)行分析，防止在加工中出現(xiàn)刀具軸振動(dòng)、過切及碰撞、扎刀現(xiàn)象。對于仿真結(jié)果不理想的程序則可返回加工模塊對加工方式、參數(shù)等進(jìn)行修改，直至仿真結(jié)果（如圖9所示）符合加工要求。

圖9 加工仿真

2.5.6 數(shù)控系統(tǒng)軌跡模擬

通過數(shù)控系統(tǒng)的圖形顯示功能顯示刀具軌跡運(yùn)行情況，這種方法快而準(zhǔn)確，該測試可在各種倍率模式有效時(shí)進(jìn)行。由于所有運(yùn)動(dòng)在控制器的圖形模式下進(jìn)行測試，這樣就減少了檢查任務(wù)量，且程序也易跟蹤。

2.6 程序傳輸和運(yùn)行

法蘭叉頭根據(jù)前面劃分，從而產(chǎn)生了2～6個(gè)程序。這些程序的程序段數(shù)多達(dá)8000，在文件大小上，其中一個(gè)達(dá)到4M字節(jié)，可用U盤將程序拷入機(jī)床中。

程序在運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)床的NCU內(nèi)存太小，無法將程序裝載入后進(jìn)行加工，所以采用數(shù)控機(jī)床自動(dòng)模式下，通過硬盤方式進(jìn)行邊傳程序邊加工。根據(jù)實(shí)際情況，在一些加工程序段上通過倍率開關(guān)優(yōu)化指定的切削速度和進(jìn)給速度。

3 結(jié)論

SWC型法蘭叉頭的數(shù)控加工解決了SWC型十字萬向接軸的裝配瓶頸，以往由于法蘭叉頭型腔曲面的不規(guī)范，裝配一套SWC型十字萬向接軸往往要花費(fèi)3～4天的時(shí)間，通過數(shù)控機(jī)床的檢查及加工使型腔曲面完全符合理想模型，解決了法蘭叉頭轉(zhuǎn)動(dòng)干涉問題，提升了工藝水平，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本，也為今后開發(fā)SWP型法蘭叉頭的數(shù)控加工積累了經(jīng)驗(yàn)。

[1]楊勝群,等.UG NX4數(shù)控加工高級教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[2]夏天,吳立軍.UG二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3]郭衛(wèi),張武剛,趙栓峰.基于UG/ISV的數(shù)控加工仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù).2006(09).

[4]項(xiàng)輝宇,劉和山,張樹生,孫勝.基于UG的圖形化數(shù)控編程及二次開發(fā)技術(shù)的探討[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào).2000,(1).

[5]肖超美.UG-CAD/CAM在某復(fù)雜殼體上的應(yīng)用—UG軟件應(yīng)用研究之一[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2004(1).

The research of numerical control machining technology in large cross-universal joint fl ange fork based on UG

WU Xian-wen1, LI Li1, ZHANG Dan1, LI Lei2

研究了UG_NX/CAM軟件在大型十字萬向接軸法蘭叉頭零件數(shù)控加工中的應(yīng)用，并從建模、數(shù)控編程、模擬仿真、后置處理、加工程序的生成等方面作了分析，探討了提高數(shù)控加工質(zhì)量和效率的途徑。該方法對其它復(fù)雜曲面的加工具有一定的推廣價(jià)值。

法蘭叉頭；復(fù)雜曲面；數(shù)控加工；UG；程序校驗(yàn)

吳先文（1968 -），男，副教授，碩士，主要從事機(jī)電設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、維修及技術(shù)改造等方面的教學(xué)和科研工作。

TP391.72

A

1009-0134(2011)4(上)-0046-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).15

2010-12-23