仲興國

(沈陽理工大學應用技術(shù)學院機械與運載學院，遼寧撫順113122)

多軸數(shù)控加工過程中，除提供x、y、z方向的線性移動外，還提供繞該3個軸的轉(zhuǎn)動。4軸數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)通常是“3+1”形式，即在工作臺上安裝一個繞x軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，從而形成x、y、z軸和A軸4個聯(lián)動軸。多軸加工由于提供了旋轉(zhuǎn)運動，刀具可以比較容易地到達希望的位置，實現(xiàn)零件的加工;通過編程軟件設置刀具與零件表面的法向成一定角度，從而避免球頭銑刀刀尖參與零件的切削，改善曲面切削質(zhì)量。

目前采用編程軟件生成的多軸數(shù)控刀路往往不能直接后處理去加工，而應在實際加工前進行刀軌的檢查。雖然UG軟件具有實體仿真切削功能，但是對于多軸加工來說，UG的實體仿真切削功能還不夠強大，對于一些過切或干涉，有時無法體現(xiàn)出來。因此對于多軸數(shù)控加工編程來說，最好借助專業(yè)的仿真切削軟件來模擬檢驗編制的多軸數(shù)控加工刀路。VERICUT數(shù)控加工仿真軟件是美國CG Tech公司開發(fā)的世界上最先進的加工仿真軟件之一，其Multi-Axis多軸仿真模塊，能夠模擬和驗證4軸/5軸銑加工及4軸車削加工。對這些多軸加工進行碰撞、干涉檢查，以提前預知并想辦法解決可能出現(xiàn)的事故，是保護昂貴機床的很好手段。

作者以一個梅花筒零件為例，利用UG和VERICUT實現(xiàn)零件的自動編程和仿真。

1 梅花滾筒的四軸數(shù)控加工

1．1 零件的數(shù)控加工工藝分析

圖1是一個梅花滾筒零件，材料為45鋼，毛坯采用φ100 mm×300 mm的圓柱形棒料。

圖1 零件圖

該零件在“3+1”結(jié)構(gòu)的四軸加工中心上加工，零件右端面安裝在旋轉(zhuǎn)自定心卡盤上，加工坐標系原點確定為零件軸線與零件左端面的交點，加工坐標系的x向與零件的軸線重合。零件的數(shù)控加工內(nèi)容、切削刀具 (硬質(zhì)合金刀具)和切削工藝參數(shù)如表1所示。

表1 加工工藝方案

1．2 加工參數(shù)

(1)粗加工 (采用型腔銑操作“CAVITY_MILL”)

設置“切削模式”為“跟隨周邊”，“步距”為“%刀具平直”，“平面直徑百分比”為“20”，“每刀深度”為“1”。 “切削層類型”為“用戶定義”，“已測量”從“頂層”， “范圍深度”為“5．0”，其他默認。其結(jié)果如圖2所示。對刀軌進行變換，結(jié)果如圖3所示，其中，CAVITY_MILL_1_1為第一個(即原始生成的)，CAVITY_MILL_2_1為將CAVITY_MILL_1_1軸向 (+x)平移100 mm復制出來的。其他6個刀軌為“繞直線旋轉(zhuǎn)” “Multiple Copies”(多重復制)出來的，如圖3所示。

圖2 粗加工刀路

圖3 刀軌變換

(2)精加工腔底 (采用可變軸銑，即4軸聯(lián)動)

設置“創(chuàng)建操作”類型為“mill_multi-axis”，“操作子類型”為“VARIABLE_CONTOUR”，采用邊界的驅(qū)動方式來限制刀具的切削區(qū)域，其他采用精加工的默認參數(shù)。生成的刀具軌跡如圖4所示。將刀軌復制平移，然后用“繞直線旋轉(zhuǎn)” “Multiple Copies”復制出其他6個刀軌。

圖4 腔底精加工刀路

(3)精加工側(cè)壁

生成的刀具軌跡如圖5所示。

圖5 側(cè)壁精加工刀路

1．3 后置處理

用UG自帶的后處理構(gòu)造器創(chuàng)建帶A軸的后處理器，生成的部分NC程序如圖6所示。

圖6 程序頭部分

2 采用VERICUT仿真切削

用VERICUT建立的機床模型是機床結(jié)構(gòu)在計算機上的映射。在計算機上建立虛擬的機床本體、控制系統(tǒng)和刀具庫，調(diào)用在UG中生成的NC代碼驅(qū)動，就可以在計算機上看到和真實加工一樣的效果。針對UG用戶產(chǎn)生的G代碼進行仿真的操作步驟如下:

(1)建立機床組件樹和機床實體模型

分析機床結(jié)構(gòu)，配置運動鏈，按照運動鏈定義各運動軸。梅花筒零件是在4軸銑床上進行加工，必須構(gòu)造一個4軸機床模型。打開 VERICUT，單擊“Component Tree”依次添加 Base、z軸、Spindle、Tool、y軸、x軸、A軸、夾具和毛坯，形成組件樹。機床模型及項目樹如圖7所示。

圖7 機床模型及項目樹

(2)建立機床刀具庫

運行Tools-Tools manager建立刀庫。VERICUT刀具庫包含刀具的切削部分、刀桿和刀具的夾持部分，這些信息以．ds格式儲存在刀具庫中。

(3)進行切削仿真

在VERICUT系統(tǒng)中，通過單擊“Setup”-“Toolpath”命令，將“Toolpath Type”設置為“GCode”格式，即可用于仿真G代碼刀具軌跡文件。點擊NC program控件后，調(diào)入在UG中生成的NC程序進行虛擬仿真加工，加工仿真的機床工件視圖如圖8所示。

圖8 仿真切削結(jié)果

(4)仿真結(jié)果分析

數(shù)控加工中的干涉問題可以歸納為刀具快速定位時與工件的干涉以及刀具與機床附件及工件夾具的碰撞。對于仿真結(jié)果模型，一方面可以通過對其進行縮放、旋轉(zhuǎn)、截切剖面操作并結(jié)合LOG日志文件觀察工件的加工和碰撞干涉情況，并進行尺寸測量和廢料計算;另一方面，還可以利用AUTO-DIFF模塊進行加工后模型和設計模型的比較以確定兩者間的差異以及過切和欠切情況，進而修改相應的刀具軌跡文件和參數(shù)，直至仿真完全達到要求為止。

3 結(jié)論

UG多軸加工主要通過控制刀具軸矢量、投影方向和驅(qū)動方法來生成加工軌跡。加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化，或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構(gòu)成空間某個角度，利用銑刀的側(cè)刃或底刃切削加工來完成。

用VERICUT仿真系統(tǒng)模擬機床加工過程中，能真實地反映加工過程中遇到的各種問題，包括加工編程的刀具運動軌跡、工件過切情況和刀、夾具運動干涉等錯誤，甚至可以直接代替實際加工過程中試切的工作，并且提供了對刀位軌跡和加工工藝優(yōu)化處理的功能，可以大大地提高零件的加工效率和機床的利用率。

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