熊運(yùn)星,閆國琛

(浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 寧波 315012)

0 引言

由于機(jī)床廠商、用戶需求不同,五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜,客戶定制特殊結(jié)構(gòu)機(jī)床越來越多,同時(shí)控制系統(tǒng)的多樣性,對于產(chǎn)品或模具加工工藝的要求日趨提升,尤其是匹配各廠家機(jī)床的后處理的技術(shù)要求越來越高,因此對五軸或多軸機(jī)床后處理技術(shù)的研究與實(shí)踐,對提升復(fù)雜曲面類零件高效、高質(zhì)量加工具有重要理論意義和推廣價(jià)值。

葉輪產(chǎn)品加工工藝具有高效、高精度、高質(zhì)量的特點(diǎn)[1]。葉輪產(chǎn)品通常是在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載沖擊環(huán)境下工作。其質(zhì)量和精度要求高,如表1所示。本文通過IMSpost定制的后處理,以葉輪零件加工工藝優(yōu)化為目標(biāo),利用UG NX CAM編程軟件完成葉輪零件的編程與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化,運(yùn)用VMC-300小型機(jī)床完成葉輪的工藝優(yōu)化及機(jī)床加工。

表1 葉輪加工發(fā)展趨勢

1 IMSpost后處理開發(fā)

1.1 IMSmachine平臺(tái)機(jī)床結(jié)構(gòu)搭建

根據(jù)表2所示機(jī)床主要技術(shù)參數(shù),構(gòu)建機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)行程、角度等參數(shù)設(shè)計(jì)。通過簡單運(yùn)動(dòng)分析模型與實(shí)際加工機(jī)床的一致性,構(gòu)建的機(jī)床文件如圖1所示。

圖1 實(shí)際加工機(jī)床結(jié)構(gòu)

表2 五軸加工中心主要技術(shù)參數(shù)

本文以VMC-300小型機(jī)床為例開展五軸加工中心后置處理研究。該機(jī)床軸系結(jié)構(gòu)關(guān)系圖如圖2所示,該配置C軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái),擺角為±360°,A軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)角范圍為-120～30°,該類機(jī)床具有主軸結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、制造成本低的優(yōu)點(diǎn),但由于工作臺(tái)自重會(huì)導(dǎo)致機(jī)床剛性不足,故工作臺(tái)一般設(shè)計(jì)較小,且承重較輕,因此適用于體積小、重量輕的小型精密零件和精密模具的加工。

圖2 AC轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)床

1.2 IMSpost平臺(tái)搭建五軸后處理

VMC-300機(jī)床的控制系統(tǒng)為fanuc系統(tǒng),因此選取fanuc30i控制系統(tǒng)模塊進(jìn)行相關(guān)控制機(jī)床代碼的設(shè)定。根據(jù)軟件導(dǎo)入的機(jī)床模型文件(如圖1所示),系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置后處理機(jī)床結(jié)構(gòu)為AC雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)類型,同時(shí)相關(guān)機(jī)床參數(shù)與實(shí)際加工機(jī)床一致,如圖3所示。

圖3 IMSpost平臺(tái)后處理搭建

1.3 編程格式的設(shè)置

本文對編程的代碼進(jìn)行系列優(yōu)化,匹配機(jī)床實(shí)際加工及優(yōu)化機(jī)床加工相關(guān)操作及工藝。IMSpost軟件主要設(shè)置程序開始(相關(guān)程序要求)[2]、操作開始(換刀冷卻開始位置)、操作結(jié)束(換刀需要)、程序結(jié)束(加工結(jié)束后機(jī)床相對位置)、主軸、冷卻液(在合適的位置開關(guān)切削液)、換刀等內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員主要考慮第一次換刀及多個(gè)工序轉(zhuǎn)換間換刀之前一系列操作動(dòng)作(機(jī)床回零、刀具位置等),確保換刀順利進(jìn)行,設(shè)備安全運(yùn)行,如圖4所示。

圖4 機(jī)床換刀設(shè)置

1.4 UG CLFS刀位文件的輸出

UG NX輸出的刀位文件需要特定的設(shè)置才能正確讀入IMSpost平臺(tái)中[3],并對該刀位文件正確識(shí)別出快速移動(dòng)、切削移動(dòng)、刀具號(hào)及刀具補(bǔ)償?shù)戎噶?軟件根據(jù)讀入的刀位點(diǎn)坐標(biāo)值及刀具向量值,IMSpost后處理平臺(tái)將相應(yīng)的刀位點(diǎn)、向量值轉(zhuǎn)換為機(jī)床匹配的NC代碼,滿足機(jī)床加工精度要求,如表3所示。

表3 刀位點(diǎn)及刀具向量與NC代碼轉(zhuǎn)換

2 葉輪加工工藝

編程人員(1)分析葉輪幾何特征(主流葉片、分流葉片、輪轂面、圓角面等),根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品材料選擇合適的加工刀具,確定加工工藝,制定合適的加工方案,并進(jìn)行工藝優(yōu)化(不同切削參數(shù)下的產(chǎn)品質(zhì)量);(2)通過五軸編程軟件規(guī)劃刀位軌跡路線,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證;(3)選擇合適的后置處理,進(jìn)行試切加工;(4)投入實(shí)際生產(chǎn),如圖5所示。

圖5 葉輪加工技術(shù)路線

葉輪加工過程如圖6所示,首先進(jìn)行葉輪整體開粗,使用R3球刀,然后使用R3球刀分別對主葉片、分流葉片進(jìn)行精加工,葉輪輪轂面采用往復(fù)走刀進(jìn)行精加工,對主葉片、分流葉片根部未加工到位部分進(jìn)行清根加工(R1.5球刀),最后對分流葉片弧面部分進(jìn)行精加工。輸出并保存粗精加工刀位文件,UG刀位文件后綴名為．CLS。葉輪加工工藝參數(shù)如表4所示。

圖6 葉輪加工工藝

表4 葉輪加工方法及刀具選擇

葉輪實(shí)際加工工藝及參數(shù)受葉輪的實(shí)際使用情況影響,根據(jù)現(xiàn)場葉輪加工參數(shù)及機(jī)床長時(shí)間加工優(yōu)化,該機(jī)床下的加工工藝參數(shù)如表5所示[3]。

表5 常見加工工藝參數(shù)

3 后處理仿真一體化

IMSverify 是一個(gè)機(jī)床作動(dòng)模擬系統(tǒng),透過機(jī)床模擬運(yùn)行實(shí)際G代碼驗(yàn)證,模擬NC加工過程,以檢測刀具路徑中是否可能存在的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn),事前預(yù)防零件、夾具、刀具、刀桿和機(jī)床干涉之檢查,提供加工者更完整模擬驗(yàn)證,進(jìn)而得到正確加工。

IMSverify真正實(shí)現(xiàn)以實(shí)體為基礎(chǔ)的模擬提供了最準(zhǔn)確的材料加工驗(yàn)證。從UG NX的CAM系統(tǒng)中導(dǎo)入毛坯和夾具的實(shí)體,模擬過程中的結(jié)果也保存為實(shí)體,可作為進(jìn)程中的中間毛坯,以及與原始設(shè)計(jì)零件資料的比對。與IMSpost產(chǎn)品整合,使用IMSpost查看CAM系統(tǒng)的APT資料[4],UG NX通過專用接口啟動(dòng)IMSverify,如圖7所示。

圖7 NX-IMSverify 一體化仿真

通過輸入NC代碼、選擇圖7設(shè)置好的與實(shí)際加工一致的機(jī)床模型[5]、匹配機(jī)床加工的合適后處理,并加載設(shè)計(jì)模型、毛坯模型、夾具體等,模擬分析實(shí)際加工過程中出現(xiàn)的任何問題(過切、撞刀、欠加工),并進(jìn)一步優(yōu)化加工的工藝參數(shù),提高加工效率與加工質(zhì)量。具體仿真過程如圖8所示。

圖8 葉輪實(shí)體化仿真

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了實(shí)際機(jī)床的3D結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,通過IMSpost后處理平臺(tái)導(dǎo)入實(shí)際3D機(jī)床模型,并加載了與實(shí)際機(jī)床系統(tǒng)匹配的控制系統(tǒng),配置正確的輔助參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、換刀動(dòng)作、冷卻液動(dòng)作等)、對導(dǎo)入的UG NX編程軟件的CLSF刀位文件進(jìn)行NC代碼的轉(zhuǎn)換,確保加工的正確性。以葉輪加工編程、工藝分析、工裝設(shè)計(jì)等內(nèi)容,通過IMSverify軟件進(jìn)行實(shí)體模擬仿真,確保實(shí)際加工時(shí)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[6]。