張海峰，曹志峰，朱超奇

（蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇 蘇州 215129）

0 引言

本文中，介紹了兩款批量較大的零件加工工藝，其中金屬半環(huán)是一種形狀復雜，而且容易變形的多面體零件，由于其特有的形狀，造成了其難以裝夾校正，零件容易變形彎曲等加工難點。而電機機殼是一種批量較大，表面質量要求很高的零件，如果按照傳統加工方案，勢必會降低零件的表面質量。此論文主要通過以下內容展開敘述：

利用UG/CAD模塊，依次對金屬半環(huán)和電機機殼這兩款零件三維模型進行工藝分析，并且設計了兩款零件在多軸數控加工中所需要的工裝夾具。

利用UG/CAM模塊，對兩款零件進行多軸數控程序的編制。主要是基于機床四軸、五軸可以轉動的特性，以專門設計的工裝夾具作為依托，定制專用刀具，實現多軸定點加工。

利用UG的刀路仿真功能，進行數控程序的驗證，判斷刀具刀柄、工裝夾具和零件三者之間是否有干涉過切現象。最后，對加工程序進行后置處理，生成NC程序。

1 概念

1.1 UG的CAD模塊與CAM模塊

UG軟件有多個模塊，其中CAD模塊包括實體建模、特征建模、自由形狀建模、工程制圖和裝配等。而CAM模塊提供了對NC加工的CLSFS建立與編輯，提供了包括銑、車、線切割、鈑金等加工方法的交互操作，可以用于三軸加工和五軸加工，還具有圖形后置處理和機床數據文件生成器的支撐，同時又提供了制造資源管理系統、切削仿真、圖形刀軌編輯器、機床仿真等仿真加工和輔助加工[1]。

1.2 多軸定點加工

多軸定向加工是一種常用的多軸加工應用方式。在加工時，通常采用轉軸定位、三軸加工的方式，其多軸定位主要用于控制加工時的刀軸與編程坐標器Z軸的矢量相同，三軸加工是在定位后的編程坐標系中使用的三軸加工中的所有功能完成的零件加工[2]。

2 利用UG/CAD功能繪制零件的三維圖、工裝夾具的設計

2.1 兩款零件數控加工工藝分析

兩款零件成品如圖1和圖2所示：

圖1 金屬半杯樣品

圖2 電機機殼樣品

（1）金屬半環(huán)工藝分。零件的材料是鈹青銅，它是將鈹作為基本的合金元素的銅基合金材料，是適用于熱處理的合金。鈹青銅具有優(yōu)異的機械性能、物理性能及化學性能，是一種重要的彈性材料，廣泛用來制造彈性零件及其他重要零件[3]。

供應商提供的毛坯尺寸為：直徑140mm且中空直徑100mm。

原加工工藝：毛坯→半成品→時效熱處理→軸向正面精加工→軸向反面精加工→徑向側孔精加工→內壁小孔精加工→線切割加工缺口

其中，在進行軸向正面和軸向反面加工時，需要自制一套夾具，但是這套夾具僅僅只能保證夾緊力，卻無法保證重復定位精度，在每一件零件加工之前，需要校正水平和找正中心。在進行徑向側孔精加工時，需要另外制作一套夾具，實現四軸加工。

由于零件形狀呈半圓環(huán)形，半成品經過時效處理釋放應力后，有一定程度的變形，每一次裝夾找正的效果都無法控制，報廢率較高。

這一套工藝方案，需要對零件進行多次定位裝夾，這就需要多次改變零件的定位基準，如果加工過程中既采用不同的定位基準，又采用不同裝夾方式，很容易造成零件形位誤差和定位誤差的積累，此外，每次裝夾的夾緊力也不統一，更容易造成零件變形，從而影響后續(xù)的加工精度。

五軸加工過程常用的方式是，在兩個旋轉軸（ABC中的兩個）的矢量方向確定后，3個直線軸（XYZ）做三軸聯合運動完成零件加工。這種加工模式能夠提高生產效率，減少裝夾次數，避免零件的安裝誤差。如果利用五軸轉臺，采用五軸定點加工，可以有效的解決多次裝夾帶來的難題，只需要一次裝夾，就可以完成大多數需要加工的型面。如此一來，面對大批量的件數，避免了人員重復的調試，既保證了產品的精度，又降低了人員勞動強度和調試時間，提高了生產效率。

改進后工藝：毛坯→半成品→時效處理→五軸精加工→線切割加工缺口→線切割去除“底座”

需要設計一套定位裝夾系統，這套系統可以實現定位和鎖緊，并且定制長柄T型刀，利用五軸轉臺，可以實現軸向正面、軸向反面、徑向側孔、內壁小孔同時加工。

（2）電機機殼。零件的材料是：2A12鋁材，主要用于制作高負荷零件和構件，如飛機上的骨架、隔框、翼肋、翼梁等，來料是由車床加工而成的半成品。

原加工工藝：三軸端面加工外形及孔、槽→三軸加工側面孔槽，但是，在實際的生產加工中，電機鋁殼體后端蓋零件加工銑削分成兩次裝夾，生產效率較低，而且裝夾過程中容易夾傷、劃傷，難以保證產品的表面質量，因外觀質量問題已出現多次返工返修，不良率接近20%。

因此，客戶提出要求：提高鋁殼體零件的加工效率和良率。要求工藝改進，將鋁殼體銑削生產效率提升70%左右，加工合格率由80%提升到95%左右。

（1）通過對銑削加工過程進行調查，發(fā)現銑削過程使用虎鉗夾持零件進行加工，加工一個零件要反復裝夾兩次，銑削第一序需15分鐘/件，銑削二序需17分鐘/件，整體加工周期較長。

（2）銑削加工在反復裝夾的過程中，由于使用虎鉗加持的過程中，操作稍有不小心，可能對電機鋁殼體零件表面造成劃痕、壓痕等問題，這主要是鋁制零件表面極易出現劃傷，防護周轉要很小心。

改進后工藝：毛坯（車床加工而成的半成品）→成品

通過生產驗證，使用改進后的方法可以使電機鋁殼體零件加工效率由15件/天，提高到33.10件/天，加工效率提升約120%，目標實現。同樣通過生產驗證，使用改進后的方法可以使電機鋁殼體零件加工合格率由80%提高到100%，目標實現。

3 專用夾具的設計

3.1 金屬半環(huán)

基于UG/CAD模塊，對金屬半環(huán)半成品以及工裝夾具進行建模設計。需要對金屬半環(huán)的外形預先留余量，單邊預留2mm，防止人工時效處理后變形。在底部加入一個“底座”，后續(xù)的5軸加工，需要用到這個“底座”進行定位，用5顆M5平頭螺絲將“底座”連同半成品零件采用鎖緊的方式固定在5軸夾具上。如圖3所示。

圖3 鎖緊的方式固定圖

3.2 電機機殼

基于UG/CAD模塊，對電機機殼工裝夾具進行建模設計。如圖4所示，這套工裝夾具是為了滿足四軸加工，夾具上分布了4個工位，每個工位配有一個定位孔，采用螺絲鎖緊的方式固定。

圖4 建模設計圖

4 利用UG/CAM模塊，對兩款零件進行多軸數控程序的編制

4.1 數控加工機床的選擇

根據零件的外形、精度要求以及工藝路線選擇適合的數控機床。其中，金屬半環(huán)采用五軸加工中心進行加工，電機機殼采用四軸加工中心進行加工。除此之外，所有的工裝夾具都需要用數控加工中心進行加工。

利用五軸、四軸加工中心在加工時，只需要一次裝夾，就可以完成大多數的加工要素，在加工過程中，定位基準始終保持統一，不再有定位誤差的累計，從而避免了因零部件多次裝夾所造成的精度降低。

4.2 加工刀具的選擇

在數控加工中，刀具的選擇直接影響了零部件的加工范圍和加工質量。兩款零件除了常規(guī)的立銑刀、鉆頭之外，還需要特別定制相應的T型刀、“反倒角刀”和內R刀[4]。

4.3 數控刀路的編制

采用UG自適應銑削，進行外形銑削粗加工。該命令在UG12.0版本正式推出，充分利用銑刀側刃進行銑削，切削深度可以是銑刀直徑的2~3倍，不需要在Z軸方向進行分層切削，主要用于高速切削粗加工，材料去除效率非常高。

5 利用UG的刀路仿真功能，進行數控程序的驗證

5.1 刀路仿真模擬

利用數控刀路2D刀路仿真，可以通過模擬加工動畫演示，判斷所有刀路的準確性和可靠性、加工程序的切削順序，以及檢查是否發(fā)生過切現象[5]。

在UG軟件加工模塊中，右擊要驗證的程序組，在刀軌確認中，可以進行2D刀路仿真。

5.2 后置處理

在本文中，主要介紹了兩款零件的加工工藝和工裝夾具設計思路。不同的數控系統對NC程序格式有不同的要求，UG軟件提供了一個性能優(yōu)異的后置處理工具Post Builder，利用它可以將前置處理產生的刀位數據文件、加工工藝參數與特定的機床特性文件、定義文件相結合，生成指定數控加工設備能夠識別的數控加工程序，該過程稱為后置處理（post-processing）。

6 結語

在文中提到的多軸數控加工工藝應用前景非常廣泛，而本文只提到了兩款零件的加工工藝，一種是形狀復雜、難以定位裝夾的易變形零件，一種是批量大、表面質量要求非常高的多工序零件，兩者都是基于UG/CAD與UG/CAM進行零件以及輔助工裝夾具的三維體模型構建、工藝分析、復雜零件的多軸數控加工程序編制和多軸機床加工模擬和最后的后處理等方面進行研究。

兩款零件的形狀不是特別復雜，但是其加工工藝的原理非常具有代表性。文中提到的工裝夾具、多軸轉臺，其實就是為了減少人工裝夾調試的時間，減輕人工的勞動強度，實現效率、合格率雙重提升。

對于其他一些要素，例如：鈹青銅材料的切削性能和時效處理的參數、UG編程中切削參數，UG數控程序后置處理器的具體應用等，本文中沒有過多的論述。也希望在今后的工作中，加強這些方面的知識研究學習。