基于UG的數(shù)控多軸加工工藝優(yōu)化和工裝夾具設(shè)計摘要：隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，許多企業(yè)不再一味地追求高品質(zhì)、高效率的生產(chǎn)，而是將更多的精力放在了優(yōu)化CNC多軸加工工藝和工裝夾具的設(shè)計上?！翱萍际堑谝簧a(chǎn)力”，在勞動者、生產(chǎn)對象、生產(chǎn)工具這三大要素中，除了要熟練地運用生產(chǎn)工具外，還需要熟練地掌握生產(chǎn)技術(shù)。為了適應(yīng)多樣化的市場需求，必須對CNC工藝進行持續(xù)的改善，并設(shè)計出更加可靠的工裝夾具，以達到交貨周期，提高質(zhì)量。關(guān)鍵詞：多軸加工；工裝夾具；機床仿真前言本文主要介紹了兩種大型工件的加工方法，其中金屬半環(huán)是一類具有復(fù)雜外形和易于變形的多面體件；由于其特殊的外形，使其不易進行裝夾，且工件易發(fā)生變形、彎曲等工藝難題。但是，電機外殼是一種批量大、表面質(zhì)量高的產(chǎn)品，采用常規(guī)的工藝，必然會導(dǎo)致產(chǎn)品的外觀品質(zhì)下降。本文主要介紹了UG/CAD軟件，對兩種不同類型的零件進行了工藝分析，并對其進行了多軸數(shù)控加工所需的模具夾具進行了詳細(xì)的描述。采用UG/CAM軟件實現(xiàn)了兩種不同類型的多軸CNC編程。它是根據(jù)機床四、五軸的旋轉(zhuǎn)特點，利用特殊的工具夾具，進行特殊的刀具定制，實現(xiàn)多軸的定點加工。通過UG刀道模擬功能，對刀具刀柄、工裝夾具、工件之間是否存在干涉、過切等問題進行了分析。最后，對加工過程進行了后置處理，并產(chǎn)生了數(shù)控程序。1、概念1.1UG的CAD模塊與CAM模塊UG的CAD主要包括實體建模、特征建模、自由形狀建模、工程繪圖、組裝等。CAM模塊則提供數(shù)控加工CLSFS的創(chuàng)建和編輯功能，包括銑、車、線切割；此外，它還支持了圖形后處理和機器數(shù)據(jù)生成，并提供了生產(chǎn)資源管理系統(tǒng)、切削仿真、圖形刀軌編輯工具，如機床模擬及其他模擬及輔助處理。1.2多軸定點加工多軸方向切削是多軸加工中普遍采用的一種方法，它的多軸定位主要是用來控制加工過程中的刀具軸和程序座標(biāo)儀Z軸的向量。1.3數(shù)控多軸機床加工技術(shù)概述1.3.1原理通常，CNC多軸加工是一種三個以上的連桿加工，是一種精加工作業(yè)方式，5軸多軸加工工藝是世界各國衡量其工業(yè)化程度的重要指標(biāo)，這一技術(shù)在船舶、航天、模具、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。多軸數(shù)控機床可分為兩類：擺頭型和擺臺型。(1)一種擺臺式工作臺，該工作臺可以在X軸的中心軸上旋轉(zhuǎn)，X軸是在+30-120度之間的A軸。旋轉(zhuǎn)臺位于工作臺中央，Z軸為C軸，360度旋轉(zhuǎn)。(2)所述搖頭型的主軸前端為旋轉(zhuǎn)頭部，可在X軸上旋轉(zhuǎn)，并定義為A軸。在回轉(zhuǎn)頭上有一個B軸，它能繞著Y軸轉(zhuǎn)動。在加工過程中，A軸的轉(zhuǎn)動范圍為-95~+95°。C軸能轉(zhuǎn)動三百六十度。2軸聯(lián)動，機床可完成5個以上的連桿，整體結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力大，尺寸小，適合大轉(zhuǎn)矩加工。1.3.2機床選擇DMU70是以DMU50型萬能銑床為基礎(chǔ)研制的。該系統(tǒng)將新型的機床尺寸和驗證技術(shù)相結(jié)合，使其旋轉(zhuǎn)速度達到每分鐘14000轉(zhuǎn)，送料速度24米/分，配置刀庫16-30刀位，可滿足單個零件和小型批量生產(chǎn)的需要。橫向滑板的設(shè)計方式使得鑄鐵零件具有肋形，該機床的基座是用水泥澆注而成的，二者結(jié)合，可以改善機床的工作性能。選用旋轉(zhuǎn)擺動工作臺與機床基座形成一體，具有大法蘭直徑，能確保剛性好，從而改善加工表面的質(zhì)量和精度。2、利用UG/CAD功能繪制零件的三維圖、工裝夾具的設(shè)計兩款零件成品如圖1和圖2所示：圖1金屬半杯樣品圖2電機機殼樣品（1）一種金屬半環(huán)的處理方法。該部件采用了鈹青銅，這是一種以鈹為基礎(chǔ)的銅合金，適合于熱處理。鈹青銅因其優(yōu)良的機械、物理和化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于彈性元件和其它重要部件的生產(chǎn)。供貨商所提供的毛料規(guī)格為：140毫米直徑，100毫米空心。原始加工工序：粗料、半成品、時效、熱處理、軸向前精、軸向后精、徑向側(cè)孔精加工、內(nèi)壁孔精加工、線切割加工凹槽在進行軸向前、軸向后端加工時，必須要有一套專用的卡具，但這套卡具僅能確保夾持力；但不能保證多次定位的準(zhǔn)確性，每次加工前都要對水平和對中心進行調(diào)整。為了完成四軸的四軸加工，必須再做一組模具。半成品因其外形為半圓形，在經(jīng)過時效處理后產(chǎn)生的應(yīng)力后，會產(chǎn)生一定的變形，每次裝夾對正的效果不能很好地控制，這種工藝方案，必須對工件進行多次定位和裝夾，若同時使用不同的定位基準(zhǔn)，則必須多次變更工件的位置基準(zhǔn)；另外，使用不同的夾具方法，很容易產(chǎn)生工件的形狀和位置誤差，而且每次裝夾時的夾持力也不一致，使工件產(chǎn)生較大的變形，進而影響到后續(xù)的加工精度。五軸加工工藝的常見方法是，當(dāng)兩個轉(zhuǎn)動軸線（ABC中的兩個）向量方向被決定后，三個直線軸線（XYZ）進行三個軸線的聯(lián)合移動來完成工件的加工。該工藝可有效地提高生產(chǎn)效率、減少裝夾數(shù)量、防止裝配錯誤。若使用五軸旋轉(zhuǎn)工作臺，并使用五軸定位，可有效地解決多次裝夾造成的問題，僅需一次裝夾；大部分的形狀都能被處理。這樣，在大批量生產(chǎn)的情況下，可以避免人工反復(fù)的調(diào)試，確保了產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，減少了工人的勞動強度，減少了調(diào)試的時間，提高了工作的效率。改造后的工藝：毛料、半成品、時效、五軸精加工、線切割、切口、移除“底座”，需要設(shè)計一種能進行定位、鎖定的定位、鎖定、以及采用五軸旋轉(zhuǎn)平臺定制的長柄T形刀具；可實現(xiàn)前軸向、軸向反面、徑向側(cè)孔，內(nèi)壁小孔可同時加工。(2)馬達外殼。其材質(zhì)為：2A12鋁合金，主要用于制造航空骨架、隔板、翼肋等高載荷部件，來料是用車床加工出的半成品。原加工方法：三軸端面加工外形及孔、槽→三軸加工側(cè)面孔，但在實際生產(chǎn)中，對電機鋁外殼后端蓋零件的加工銑削分為兩個階段；生產(chǎn)效率低下，在裝夾時容易夾傷、劃傷，很難保證表面質(zhì)量，由于外觀質(zhì)量問題，已經(jīng)有多次返工返修，不良率高達20%左右。為此，用戶對鋁合金外殼零件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量提出了更高的要求。通過對鋁合金外殼的工藝改造，提高了70%的生產(chǎn)效率，從80%提高到95%。通過對銑削工藝的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)銑削工藝采用的是虎鉗夾緊工件，工件的加工需要重復(fù)兩次，銑削一次為15分鐘/件，銑削二次為17分鐘/件，整體加工周期較長。在多次裝夾時，如果使用虎鉗，稍有不慎，就會造成電機鋁殼部件的表面劃痕、壓痕等問題，因為鋁質(zhì)部件的表面容易劃痕。改造后的工藝：將原料（從車床上得到的半成品）→產(chǎn)品經(jīng)生產(chǎn)確認(rèn)，采用改進的工藝，可以將電動機鋁外殼零件的加工效率從15臺/日提高到33臺/日，提高了120%左右的加工效率。經(jīng)實際生產(chǎn)檢驗，采用該改進的工藝，可以將電機鋁殼零件的加工合格率從80%提升至100%，達到了預(yù)期的目的。3、專用夾具的設(shè)計3.1金屬半環(huán)在UG/CAD的基礎(chǔ)上，建立了半環(huán)件和模具夾具的模型。金屬半環(huán)的外型要求事先留有一定的尺寸，在一側(cè)留2毫米，以避免人為時效后的變形。在底部增加了一個“底座”，接下來的5軸加工，就是用“底座”來進行定位，5個M5螺釘將“底座”和半成品一起鎖住。在圖3中可以看到。圖3鎖緊的方式固定圖3.2電機機殼以UG/CAD為基礎(chǔ)，建立了電機外殼模具的模具夾具模型。如圖4所示，該模具用于四軸的加工，其上設(shè)有4個工作臺，每臺設(shè)有一定位孔；用螺絲鎖住。圖4建模設(shè)計圖4、利用UG/CAM模塊，對兩款零件進行多軸數(shù)控程序的編制4.1基于UG的數(shù)控多軸加工工藝優(yōu)化設(shè)計方式4.1.1四軸聯(lián)動加工工藝優(yōu)化設(shè)計四軸連桿的加工坐標(biāo)不超過4就是四軸連桿，它所采用的加工坐標(biāo)很少，這就限制了零件的刀道生成。四軸聯(lián)動加工方法對陀螺件進行切削時，刀具與加工軌跡之間的距離會產(chǎn)生碰撞，從而造成刀桿不穩(wěn)定，影響加工質(zhì)量。通過UG軟件中的插值向量函數(shù)，可以將其它不包括邊緣的向量去掉，使工件轉(zhuǎn)動軸線180度，按F8鍵，按下左鍵，完成轉(zhuǎn)動軸的定位，并通過鼠標(biāo)來調(diào)節(jié)部件的轉(zhuǎn)動位置；按一下其它的矢量，確定視圖的方向圖，并在任意的空間位置上進行刀軸的控制。另外，利用UG插值-光順的功能，可以克服由于轉(zhuǎn)速不同而造成的刀具路徑過于平滑的缺點，從而有效地解決了刀具和工件之間的碰撞干擾問題。4.1.2五軸聯(lián)動加工工藝優(yōu)化設(shè)計五軸聯(lián)動加工是以五軸連桿機床為中心，利用其可變軸表面輪廓函數(shù)實現(xiàn)回轉(zhuǎn)零件的加工。保證刀具軸線與傳動本體垂直，并可對零件或傳動模式進行插補角調(diào)整，以實現(xiàn)五軸連桿加工刀道。五軸加工過程中，仍存在著刀具和工件之間的相互碰撞干擾問題。利用UG軟件的插值向量函數(shù)，并與四軸聯(lián)動加工過程進行了優(yōu)化，當(dāng)零件轉(zhuǎn)動到180度，按F8鍵點擊后，用鼠標(biāo)將刀軸的矢量方向調(diào)整到刀柄上，這樣刀具和工件就不會發(fā)生碰撞干擾。在采用五軸連桿加工技術(shù)和裝備對復(fù)雜的葉輪進行加工時，可以采用UG軟件開發(fā)的特殊葉片加工模塊，以保證五軸連桿加工的速度。4.2數(shù)控加工機床的選擇依據(jù)零件的外形、精度要求和加工路線，選用合適的CNC加工設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，利用五軸加工中心對金屬半環(huán)進行加工，對電動機外殼進行四軸加工。另外，模具和夾具必須由CNC加工中心來完成。采用五軸和四軸加工中心，一次裝夾即可實現(xiàn)大部分加工部件的加工，該系統(tǒng)的定位參考總是一致的，不會產(chǎn)生位置誤差累積，避免了由于零件的多次裝配而導(dǎo)致的精度下降。4.3刀具與刀柄選擇最小的流道與葉片的過度圓角是R3，因此選用R4球頭銑刀或8mm端面多刃銑刀進行流道加厚處理。為了防止葉片的過度切割，應(yīng)按流道和葉片R角度選用合適的刀具，以保證完整的流道和刀片；同時，將R角的殘余物清除，這樣，操作人員就可以不需要再進行清角了。在切削過程中，采用了DMU70五軸的功能加工技術(shù)。選用HSK型高速刀柄，具有高精度，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊的特點；高的靜態(tài)和動力剛性，輕巧的質(zhì)量，適合高速切割。5軸連桿時，應(yīng)充分考慮B軸在加工過程中的搖擺角，如果搖擺角度太大，則會使主軸的偏移距離增大，從而縮短干擾距離，容易產(chǎn)生碰撞。因此，在選用刀柄時，應(yīng)充分考慮B軸的搖擺角度，并對刀具和刀柄的長度進行適當(dāng)?shù)倪x??；根據(jù)加工強度的需要，在一定范圍內(nèi)保持安全的避空距離。4.4數(shù)控刀路的編制葉輪的開寬是提高整個葉輪加工效率的關(guān)鍵，這一目的只能通過編寫有效的開粗刀路來完成。UG軟件具有很強的加工功能，可以對葉輪進行適當(dāng)?shù)木幊?。在多軸加工模組中，采用球頭銑刀進行程序設(shè)計。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對刀軸的開寬過程的自動控制，但是在加工時不能對其振幅進行控制。在沒有充分考慮到這一因素的情況下，很容易出現(xiàn)碰撞事故，所以選用3+2方向切削的輪葉輪。本文對葉片的加工工藝進行了分析，如果葉片的曲度較小，可以采用二次定軸進行二次加工；如果葉片的曲度很大，二次定軸的粗化很難除去，或者有些多余的零件，需要二次以上的定軸加厚。在加工刀路編制、加工刀路優(yōu)化設(shè)計中，對切割面積的控制是關(guān)鍵。4.4.1定義修剪邊界設(shè)定加工坯料，使Z軸向量坐標(biāo)系統(tǒng)具有清晰的修整界限。在UG軟件中，采用模腔銑技術(shù)編制了流道定軸粗刀路。由于邊界條件的制約，毛坯的加工過程中，由于流道導(dǎo)流葉片位于切削區(qū)的邊緣，在進刀、退刀時，容易發(fā)生過度的干涉或過切，必須對加工刀路進行嚴(yán)格的檢驗。在編制開粗刀路時，必須考慮殘余余量的影響。采用Z軸坐標(biāo)向量，通過IPW搜索殘余毛坯的方式，實現(xiàn)對殘余毛坯的檢測。4.4.2控制毛坯切削范圍通過對流道的構(gòu)造，對毛坯進行整體的劃分，使其易于形成單個的流道。并根據(jù)切割需求確定Z軸向量，確定開粗刀路，再將剩余的毛坯加工成具有幾何形狀的工件，或者通過檢測幾何形狀來控制進、退刀的方向和刀道的寬度，該方法可以對坯料的加工范圍進行控制，從而簡化了控制。5、利用UG的刀路仿真功能，進行數(shù)控程序的驗證5.1刀路仿真模擬采用2D刀路數(shù)控刀具路徑仿真，可以對刀具軌跡的準(zhǔn)確性和可靠性、加工程序的加工次序進行檢驗，并能對刀具的加工過程進行動態(tài)仿真。在UG軟件處理模塊中，按下要驗證的程序集，在刀道確認(rèn)過程中，可以進行二維刀道模擬。5.2后置處理本文著重闡述了這兩種產(chǎn)品的加工技術(shù)及模具夾具的設(shè)計思想。UG軟件提供了一種性能優(yōu)良的后置處理工具PostBuilder，通過將預(yù)處理得到的刀具位置數(shù)據(jù)文件、加工工藝參數(shù)與具體機床特性文件、定義文件相結(jié)合，生成NC加工程序，由NC加工設(shè)備識別。5.3基于UG的數(shù)控多軸加工工藝精度的可靠性處理5.3.1仿真準(zhǔn)備模擬動作組件的建立。通過UG軟件的開發(fā)，建立了五軸機床的運動模擬系統(tǒng)，包括主軸、轉(zhuǎn)臺、工件安裝等。建立模擬組件連接點、軸，建立了基于上述的運動模擬系統(tǒng)，建立了運動學(xué)模擬部件的連接點和運動軸線，并以運動模擬節(jié)點為坐標(biāo)系，保證了各個運動部件之間的高效連接；通過對機床的軸向位移進行調(diào)節(jié)，從而達到對機床的定向控制。后處理檔案的建立和儲存，建立連接點和軸之后，利用UG軟件創(chuàng)建文檔，創(chuàng)建一個后置處理文檔，將軸的最大和最小值設(shè)為120和-100，并將軸和軸中心的偏移設(shè)為0。以記事簿格式開啟安裝檔案，加入并儲存后處理檔案。點擊機器視圖選項，在彈出庫類選擇對話框后，將已設(shè)計好的機床運動模型導(dǎo)入到模型庫中，進行加載。5.3.2加工與處理加工完畢后，進行精加工、半精加工、精加工、輪轂和刀片的加工，最后通過五軸數(shù)控加工機的后置處理。根據(jù)UG的應(yīng)用環(huán)境，選取工藝導(dǎo)航，按下節(jié)點的操作按鈕，獲取加工過程的對話框；選擇五軸后置處理器的新選項，然后選擇彈出的輸出方塊，然后單擊“確定”。五軸加工后處理程序采集完畢，以筆記本形式開始，產(chǎn)生五個五軸風(fēng)機葉片的加工過程。6、結(jié)語本文所述的多軸CNC工藝具有廣闊的應(yīng)用前景，但本文僅介紹了這兩類零件的制造工藝，一是形狀復(fù)雜、不易定位的容易變形零件，二是批量大、表面質(zhì)量要求高的多工序零件，這兩類零件都是以UG/CAD/UG/CAM為基礎(chǔ)，建立輔助工裝夾具的三維體模型、工藝分析、復(fù)雜零件的多軸數(shù)控編程、多軸加工仿真和后期處理。這兩種產(chǎn)品的外形并不復(fù)雜，但它們的加工原理卻很有特色。本文所述的工裝夾具、多軸轉(zhuǎn)臺，實際上是為了縮短人工裝夾的調(diào)試時間，降低工人的勞動強度，達到提高效率和合格率的目的。另外，在UG編程中，UG編程中的