CAD_CAM技术在曲面壳体零件加工中的应用_万金贵.pdf

第 35 卷第 1 期 2013 年 2 月 武 汉理工大学学报 信息与管理工程版 JOURNAL OF WUT INFORMATION MANAGEMENT ENGINEERING Vol 35 No 1 Feb 2013 文章编号 2095 3852 2013 01 0067 05 文献标志码 A CAD CAM 技术在曲面壳体零件加工中的应用 万金贵 1 张 飞 1 李 颖 1 丁 卫 2 1 上海第二工业大学 实验实训中心 上海 201209 2 上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072 摘要 以一个复杂曲面壳体零件的加工为例 论述了 UG 的 CAD CAM 功能模块在其中的应用过程和 方法 利用 UG 的建模模块对零件进行曲面造型设计和三维建模 经工艺分析后制定加工工艺路线 设计了辅 助夹具 使用 UG 的 CAM 功能模块 对加工零件进行合理的加工参数设置 刀路规划及编辑 从而生成各部位 加工的优化刀具轨迹 定制所用数控机床的后处理器 并由 UG 后处理生成 NC 代码 将经过仿真检验的 NC 代码传入数控机床加工出实体零件 加工完成的零件具有高的精度和表面质量 UG 软件高度集成的 CAD CAM 功能 在曲面壳体零件加工中充分发挥了优势 降低了编程难度 并大大减少了编程出错率 提高了编程 的效率 从而保证了数控加工的质量和效率 可为同类零件的数控加工提供参考 关键词 UG CAD CAM 曲面壳体零件 数控加工 中图分类号 TH164DOI 10 3963 j issn 2095 3852 2013 01 018 收稿日期 2012 09 28 作者简介 万金贵 1972 女 湖南衡阳人 上海第二工业大学实验实训中心讲师 基金项目 上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目 B50YQ310006 UG Unigraphics 是美国 UGS 公司推出的面 向制造行业的交互式 CAD CAE CAM 高端软件 具有强大的实体造型 装配 工程图生成和数控加 工等功能 作为一款非常优秀的 CAD CAM 软 件 UG 被越来越广泛地应用于机械制造 航空航 天 汽车 船舶和电子设计等领域 1 3 一些具有复杂空间曲面的零件 在设计造型 数控编程与加工上都有相当的难度和复杂性 选 择 CAD 和 CAM 功能都非常强大且高度集成的 UG 软件可实现方便 高效 高精度的数控加 工 4 5 笔者以一个复杂曲面壳体零件的设计制 造为例 介绍 UG 的 CAD CAM 模块在其中的应 用过程和方法 旨在为其他同类零件的数控加工 提供参考 1CAD 建模分析 1 1UG 的建模功能与方法 所有数控加工都由 CAD 建模开始 UG 建模 所用的模块是 UG MODELING UG CAD 的建模方法主要有实体建模 线框 建模和自由曲面建模 3 种 选择何种建模方法 要依加工对象的特点而定 1 2零件特点与建模方法的选择 需要设计一个玩具汽车模型的外壳 采用铝 合金材料 在 3 轴立式数控铣床上试制完成 并与 已有的遥控玩具汽车车芯装配 形成能正常遥控 行驶的 1 24 的玩具汽车模型 由于零件表面主 要由曲面构成 内部又包含一些孔 槽结构特征 因此需综合利用 UG 的曲面建模和实体建模技术 进行设计造型 实体建模主要包括显式建模 参数化建模 基 于约束建模和复合建模 4 种具体建模方法 其中 复合建模法是显式建模 参数化建模和基于约束 建模 3 种建模技术的发展与选择性组合 零件建 模时 笔者选择复合建模法 1 3零件的实际建模过程与技巧 该零件的设计过程大致如图 1 所示 在模型建立之前 首先确定零件的主要特征 及建立特征的先后顺序 根据零件的主要特征建 立特征曲线 并通过适当的扫略 拉伸 桥接等操 作建立零件的主要特征曲面 再利用一些曲面编 辑工具 进行修剪 延伸 倒圆 镜像 缝合等操作 形成完整的曲面造型 该零件外表面设计时既要 考虑曲面造型流畅 美观 还应考虑其需适于 3 轴 数控铣床加工 将曲面片体加厚成实体 壳体 a 主要特征曲线 b 主要特征曲面 c 编辑后的曲面 d 镜像后的 e 完成后的实体 f 完成后的实体 完整曲面零件外观零件内部 图 1零件建模主要过程 厚度为 1 8 mm 再利用一些实体建模和编辑工具 完成各细节特征和内表面结构特征的建模 建模中 零件外表曲面的构建非常关键 重点 和难点是保证曲面的光顺性 先构造特征曲线 对曲线进行光顺检查 调整不光顺的曲线或去掉 其 坏点 再利用 smooth 功能获得光顺的曲线 同样 对生成的曲面也要进行光顺检验 对光顺性 差的曲面 可运用 UG 的分析功能并结合实际经验 来修正曲面的生成曲线 以实现曲面光顺 6 另外 为方便后续数控编程 需构建一个包容零 件并留有适当余量的长方体毛坯模型如图2 所示 图 2所设计的零件与毛坯 2CAM 数控编程 2 1数控铣编程流程 在 UG 中进行数控铣编程时通常以图 3 所示 的流程图为引导 创建各操作的刀位轨迹 这项工 作贯穿工艺设计和加工的整个过程 7 8 2 2工艺分析及加工工艺路线设计 该零件待加工的内腔与外表面都是不规则曲 面 需对加工顺序和装夹方式进行仔细分析从而 确定加工方案 根据零件总体外形特点 拟选用 长方体铝合金坯料 188 mm 98 mm 48 mm 进 行加工 因此首次加工时可用平口钳装夹毛坯 在加工顺序方面 如果先加工外表面 则内腔加工 时装夹就很困难 并容易引起工件变形 反之 如 先加工内腔 那么加工外表面时也无法使用平口 钳直接装夹 但可通过设计制作一个辅助夹具来 解决 如图 4 a 所示 夹具为两层结构 下层是 长方体基体 为加工中平口钳夹持使用 其长宽高 尺寸都通过分析计算确定 上层凸台轮廓形状根 据零件设计 为使夹具与工件内腔配合装配方便 并考虑承受切削力 其轮廓上有间隔的 4 段区域 分别与工件内壁配合 形成被包容面与包容面的 图 3 UG 数控铣编程流程图 a 辅助夹具 b 装配模型 图 4所设计的辅助夹具及其与零件的联接形式 关系 辅助夹具与工件通过螺栓联接 在 UG 的 建模环境中 将夹具与零件一起设计 形成装配模 型 如图 4 b 所示 由于零件外表面的各个侧面都具有拔模斜 度 不能在 3 轴立式数控铣床上按一个方位加工 完成 因此必须按上表面 右侧面 左侧面 后面 前面 5 个方位进行 5 次装夹完成加工 即多方位 加工 加工工艺路线规划如表 1 所示 利用 UG 的 CAM 功能 按表 1 所列的每个加 工部位创建一个程序组 针对其中每个独立的加 工内容创建相应的操作 对应生成一个刀具轨迹 86武汉理工大学学报 信息与管理工程版 2013 年 2 月 表 1零件加工工艺路线 顺序加工部位装夹方式加工内容 1零件内腔平口钳 粗加工 半精 加工 精加工 钻孔 攻螺纹 2辅助夹具平口钳粗加工 精加工 3零件上表面辅助夹具 平口钳 粗加工 半精加工 精加工 清根加工 4零件右侧面辅助夹具 平口钳 粗加工 半精 加工 精加工 5零件左侧面辅助夹具 平口钳 粗加工 半精 加工 精加工 6零件后面辅助夹具 平口钳 粗加工 半精 加工 精加工 7零件前面辅助夹具 平口钳 粗加工 半精 加工 精加工 文件并最终转换成 NC 程序用于数控机床加工 以零件上表面加工为例讨论各步骤的实现方法 2 3加工环境初始化 进入 UG 制造模块 在打开的对话框中选择 cam general mill contour 并点击 初始化 按 钮 定义加工环境 2 4创建加工父级组 依次创建程序 刀具 几何体父级组 方法父 级组不予创建 采用系统默认设置 2 4 1创建程序组 创建名称为 SHANGBIAOMIAN 的程序组 位于根目录 NC PROGRAM 下 2 4 2创建刀具组 创建上表面加工用到的 D20 平刀 D8R0 5 圆角刀 B6 球刀和 B2 球刀 其中的前 3 把刀在前 面的内腔加工中已经创建 无需重复创建 2 4 3创建几何体组 如图 5 所示 首先选择创建坐标系几何体 名 称为 MCS SHANG 坐标原点位置和各轴方向 如图 6 所示 设置安全平面 工件上方三角形表 示 为距离毛坯上表面以上 30 mm 如图7所示 选择创建铣削几何体 位置选择 图 5创建上表面 图 6上表面加工坐标系及 加工坐标系安全平面的设置 图 7创建并指定铣削几何体 MCS SHANG 以继承坐标系几何体的安全设 置 名称为 WORKPIECE SHANG 指定部件为 全选 指定毛坯则选择如图 2 所示的长方体 加工父级组创建后 就可在后续的各个操作 创建中直接选用 2 5创建各操作 2 5 1上表面粗加工 创建操作子类型选 CAVITY MILL 程序 刀 具 几何体分别选择之前创建的父组件 在打开的 型腔铣对话框中指定切削区域为汽车上表面区 域 如图 8 所示 图 8零件上表面粗加工操作创建及设置 打开切削参数对话框 底面和侧壁余量都 设为 0 5 打开非切削移动对话框 设置封闭区域 进退刀都采用螺旋方式 开放区域都采用圆弧方 式 再打开进给和速度对话框 设置主轴转速为 1 600 r min 切削进给速度为 320 mm min 进刀 速度为 120 mm min 其余设置采用默认值 设 置完成后 点击型腔铣对话框底部的刀轨生成按 钮 生成刀路轨迹 还可动态查看刀具切削过程及 96第 35 卷第 1 期万金贵 等 CAD CAM 技术在曲面壳体零件加工中的应用 模拟结果以验证刀轨的正确性 如有问题再返回 修改参数 重新生成刀轨 2 5 2上表面半精加工 因开粗后留料仍较多且不均匀 需用等高轮 廓铣 ZLEVEL PROFILE 实现分层铣削 其操作 创建过程与粗加工类似 在图 8 所示的创建操作 对话框中点击相应按钮 选 MILL SEMI FINISH 方法 刀具为 T2 8R0 5 圆角刀 全局每层切深 0 3 mm 切削层设置为 最优化 底面和侧壁均留余 量0 2 mm 设置主轴转速为3 000 r min 切削进给 速度为 500 mm min 进刀速度为 200 mm min 其余设置同粗加工 2 5 3上表面精加工 用 T3 6 球刀 CONTOUR AREA 相应按 钮 子类型 MILL FINISH 方法 对上表面进行曲 面精加工 采用环绕等距加工方式 加工图样为 跟随周边 向外 顺铣 恒定步距 为 0 2 mm 应用在部件上 进退刀都采用圆弧 方式 设置主轴转速为 3 600 r min 切削进给速 度为 420 mm min 进刀速度为 180 mm min 2 5 4上表面清根加工 用 CONTOUR AREA 方式 T4 B2 球刀 驱动方 法选 清根 以得到清晰的曲面轮廓 设置主轴转 速为4 000 r min 切削进给速度为120 mm min 上表面全部加工效果如图 9 所示 a 上表面粗加工效果 b 上表面半精加工效果 c 上表面精加工效果 d 上表面清根加工效果 图 9零件上表面加工效果图 零件其余各部位的 CAM 加工方法与上表面 类似 几个典型部位的坐标系及部分刀轨显示如 图 10 所示 2 6后处理生成 NC 代码 所有生成的刀轨需经过后处理才能生成被机 床接受的 NC 代码 由于不同的机床在物理结构 a 零件内腔加工刀轨 b 零件上表面加工刀轨 c 零件右侧面加工刀轨 d 零件前面加工刀轨 图 10零件各加工部位刀轨 和控制系统方面不同 对 NC 程序中指令和格式 的要求也就不同 因此要针对不同的机床及数控 系统定制不同的后处理程序 该零件加工是在配 备 FANUC 系统的 3 轴立式数控铣床上进行 使 用 UG 提供的后处理器开发工具 UG Post Build er 设置 NC 编码所需的参数以及机床运动参数 如机床 程序 刀轨 数据格式 列表文件 输出控 制及文件预览等 来创建适合该机床的后处理程 序 然后在 UG 加工环境中选择该后处理程序对 各刀轨进行后处理 生成适应加工的 NC 代码 如 图 11 所示 图 11后处理生成的部分 NC 代码 3零件加工 由于零件形状以及加工环境的复杂性 刀具 轨迹的生成过程中一般不考虑机床的具体结构和 工件的装夹方式 因此不能确保生成的数控加工 程序安全 正确地执行 为了检验刀轨和程序的 正确性 防止加工过程中出现撞刀和过切等意外 现象 在实际加工前采用专业数控加工仿真软件 VERICUT 对所生成的程序进行了仿真加工检 验 9 10 限于篇幅 此处不再详述 将生成的 NC 程序传入数控铣床加工 加工 完成的零件具有高的精度和表面质量 达到了预 07武汉理工大学学报 信息与管理工程版 2013 年 2 月 定的目标和要求 实际加工完成的零件如图 12 所示 a 车身零件 b 成品 图 12实际加工完成的零件 4结论 利用 UG 软件强大的三维 CAD 功能 既可 方便地进行复杂曲面壳体零件的造型及结构设 计 还可将加工需用的辅助夹具等与零件进行相 关设计 使工艺设计变得灵活高效 在软件的 CAM 模块中 一方面通过引用曲面零件的三维整 体造型 将干涉面 辅助面 刀具轨迹限制区域等 一次全部设计完成 从而方便地生成正确的刀具 轨迹 另一方面 通过合理的 CAM 编程与造型策 略优化刀具轨迹 保证零件的加工质量 提高编程 的效率和质量 参考文献 1 王林峰 毕长飞 UG 技术的应用及发展 J 机械 2010 37 7 51 54 2 金霞 杨晓京 基于 UG CAM 模块固定轴曲面轮廓数 控铣的研究 J 机床与液压 2007 35 11 53 55 3 陈思涛 基于 NX 在数控编程中的研究与应用 J CAD CAM 与制造业信息化 2011 2 85 87 4 王亮德 复杂曲面零件的反求建模与数控加工探讨 J 煤矿机械 2009 30 8 118 120 5 杨林建 基于 UG 的大型水轮机叶片多轴数控加工 研究 J 制造技术与机床 2011 10 136 139 6 顾京 王振宇 UG 软件在导风轮制造中的应用 J 现代制造工程 2005 12 127 129 7 何磊 框架零件的 CAD CAM 集成制造技术研究 J 机械 2010 37 9 58 61 65 8 张小东 基于 UG 的整体叶轮五轴高速铣加工研究 J 国防制造技术 2009 4 50 53 9 刘小芹 王军 李望云 超薄壳体零件的巧加工 J 机械工程师 2007 5 150 152 10 贾广杰 薄壁壳体石蜡填充高速加工法 J 新技 术新工艺 2009 3 4 6 Application of CAD CAM Technology in Manufacturing Curved Surface Shell Part WAN Jingui ZHANG Fei LI Ying DING Wei Abstract A complex curved surface shell part was taken as an example to discuss the application process and method of UG s CAD CAM technology in the NC machining The modeling module of UG was used to design the curved surface and create the 3D model The processing route was planned after the process analysis And the auxiliary fixture was designed In the manu facturing module of UG the appropriate processing parameters were set and the tool paths were planned and edited Then all the optimized tool paths were generated The specific post processor was customized according to the CNC machine tool which was used to machine the part And the NC code was generated by program post processing At last the NC programs verified by NC simulation were imported to