基于UG NX6.0的整体叶轮的多轴加工技术

..基于UGNX6.0的整体叶轮的多轴加工技术

叶轮加工是当今多轴联动数控加工最常见的实例,也是数控加工的难点之一。本文从实际出发,使用UG／CAM

五坐标编程系统对整体式叶轮进行数控编程,采用插值方式对刀轴矢量进行匀化处理,采用SWARF方法对叶片进行精加工,同时合理控制进退刀,实现了整体叶轮叶片高质量无干涉的五坐标螺旋铣削加工刀位点轨迹生成。为复杂产品的造型和数控加工提供了设计思路和方法,也给其他类型叶轮的设计与加工提供了参考方案。

作为动力机械的关键部件,整体式叶轮广泛应用于航天航空等领域,其加工技术一直是制造业中的一个重要课题。叶轮的加工质量直接影响整机的动力性能和机械效率,数控加工是目前国内外广泛采用的加工整体三元叶轮的方法。整体叶轮的加工难点主要表现在：①三元整体叶轮的形状复杂,其叶片多为非可展扭曲直纹面；②整体叶轮相邻叶片的空间较小,而且在径向上设有半径的减小通道越来越窄,因此加工叶轮叶片曲面时除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外,刀具极易与相邻叶片发生干涉；③刀位规划时的约束条件多,自动生成无干涉刀位轨迹较困难。国外一般应用整体叶轮的五坐标加]二专用软件,如美国NREC公司的MAX25,MAX2AB叶轮加工专用软件等。目前,我国大多数生产叶轮的厂家多数采用国外大型CAD／cAM软件,如UGNX、CATIA、MasterCAM等来加工整体叶轮。本文选用目前流行且功能强大的UGNX6.0对复杂曲面整体叶轮进行加工仿真研究。

1整体叶轮数控加工工艺

根据叶轮的几何结构特征和使用要求<如图1>,其基本加工工艺流程为：①在锻压铝材上车削加T回转体的基本形状；②外型整体粗加工；③流道粗加工；④叶片精加T；⑤对底部倒圆进行清根。2机床准备

DMU-100T是从德国DMG公司引进的一台全闭环五轴联动数控加工中心,采用主轴摆动+圆工作台旋转结构。行程参数为：X轴1080IT／ITI,y轴719mm,Z轴710mm,／3轴<主轴摆动>103°,C轴<工作台旋转>360°。该机床具有转速高、联动结构稳定性高、在轴联动技术成熟的特点。机床控制系统果用HEIDENHAINiTNC520系统。利用UGPostBuilder软件构建DMU-100T、机味专用的开置理。

3刀具的选择

为提高加工效率,存进行流道开粗和流道半精加工过程中尽可能选用大直径球头铣刀。但是也要注意使刀具直径小于叶片间最小距离；在叶片精加工过过程中,应在保证不过切的前提下尽可能选择大直径球头刀,即保证刀具半径大于流道和叶片的交接部分的最大倒圆半径。在对流道和相邻叶片的交接部分进行清根时,选择的刀具半径小于流通和叶片相接部分的最小倒圆半径。

4数控编程

4．1粗加工

粗加工是以快速切除毛坯余量为目的,其考虑的重点是加工效率,要求大的进给量和尽可能大的切削深度,以便在较短的时间内切除尽可能多的余量。粗加工对表面质量的要求不高,因此,提高粗加工效率对曲面加工效率及降低加工成本具有重要意义。在UG加工状态下,"创建操作"对话框中。选择类型"MIL-CONTOUR"建立机床控制操作,再选择子类型"CAVITY-MILL"型腔铣。这是三轴联动的粗加工模式。选用直径为25R5的圆角铣刀加工,切削方式采用"跟随部件",背吃刀量的0．6mm,刀具与刀具之间的步距为刀具直径的65%,部件侧面与底面留余量0.5mm。

4．2开槽与扩槽

叶片扭曲且包角较大,刀具在通道内要合理摆动,使得刀具尽可能地接近叶片的两侧面而又不过切轮毂及轮盖。采用通常的刀轴驱动方法很难实现。刀轴插补<ToolAxisInterpolation>这一功能对于叶轮通道加丁非常有用,它通过在叶片与轮毂的交线上定义一系列的矢量以控制刀轴,轮毂面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U、V双向线性插值或样条插值获得。这样,刀轴能很好地按照加工的需要而得到控制。在不过切的情况下,最大限度地减少叶片面与轮毂之问的残留区。边界矢量的定义是一个十分细致的工作,其基本原则是避免刀轴的突变,保证刀轴平滑变化。

在创建操作对话框中,选择类"mill_multi_zxis"多轴铣加工操作建立模饭。选择"VARIABLE_CONTOUR"子类型变轴铣.几何体选择整体叶轮。为了避免有过切现象,选择流道两侧的面为干涉检查面。选择驱动方式为"表面积"。刀轴选择"插补",选用直径为20mm的球刀加工。选择多重深度切削,步进方式采用增量式,增量值为0．5mm。部件留余量为0．3mm。加工时需要考虑进刀退刀的问题,在非切削参数设置界面,选择"传递快速"区域之间下拉条中定义好逼近、离开、移刀运动的设置。其中"安全设置"设置为"球"半径选择250mm。用刀路变换命令加工其余流道曲面。

4．3叶片精加工

SWARF方法也叫侧刃或表面驱动法,SwARF驱动刀轴随叶片直纹面的U向或V向连续变化,刀具底部接触轮毂面。侧面接触叶片表面形成单条刀路,从而实现叶片的精加工。在创建操作对话框中,选择类型"mill_multi_zxis"多轴铣加工操作建立模板,选择"VARIABLE_CONTOUR"子类型变轴铣。选择驱动方式为"表面积",为了加工到位,曲面百分比方法设置如图。刀轴选择"侧刃驱动",切削模式选择单向。选用直径为20mm的球刀加工,部件留余量为0。产生的刀具路径如图6所示,用刀路变换命令加工其余叶轮曲面。4．4流道精加工

同样选择类型"mill_multi_zxis"多轴铣加工操作建立模板,选择"VARIABLE_CONTOUR"子类型变轴铣。几何体选择整体叶轮,为了避免有过切现象,选择流道两侧的面为干涉检查面,选择驱动方式为"表面积",刀轴选择"插补"步进方式采用"残余波峰高度",残余高度为0．005mm,选用直径为20mm的球刀加工。用刀路变换命令加工其余流道曲面。

4．5叶片底部圆角清根加工

同样选择类型"mill_multi_zxis"多轴铣加工操作建立模板,选择"VARIABLE_CONTOUR"子类型变轴铣。几何体选择根部圆角部位,选择驱动方式为"表面积",刀轴选择"相对于驱动体"步进方式采用数字控制模式,步数为15步,设置非切削移动参数→传递／连接选项→区域之间→"安全设置"为"球",半径选择200mm,刀具使用R8的球刀,用刀具路径变换命令加工其余叶片底部圆角。

4．6机床模拟加工仿真

UG系统自带有3种类型的五轴机床。本文选用其中的回转/摆动型机床进行虚拟仿真加工。摆头旋转轴是B轴,转台旋转轴是C轴。通过机床导航器调入机床组件和刀具组件。叶轮零件安放在转台上面即可进行加工仿真。

5结束语

本文利用UGNX6．0软件对整体叶轮进行了加工仿真,合理选择了加工使用的刀具和机床,并针对流道和叶片的几何特征确定了刀轴的控制方式,选择了适当的刀具轨迹驱动方法进行了流道和叶片加工轨迹生成。

文中介绍的对流道的加工采用刀具轴插补加工。这种方式可以通过在指定的点定义矢量方向来控制刀具轴,当驱动或零件几何体非常复杂,又没有附加刀具轴控制几何体时,插补具轴可以控制剧烈的刀具轴变化,调节刀轨,避免碰到障碍物。指定的矢量越多,对刀具轴的控制越多。使用这种方法时,驱动几何体引导刀具侧刃,零件几何体引导刀具底部,可以控制输出很好的加工刀轨,加工出来的曲面质量。

对于五轴加工来说,最难最重要的是避免发生干涉。本文对流道和底部圆角加工时对刀具的进退刀进行了控制,依据叶轮的特征,区域之间快速移动时以球的方式控制刀轴的移动,使刀轨变得更清晰,这样不仅提高加工效率,而且使加工变得更加安全。灯饰选购布置家居装饰常识——基于UG的胶印机滚筒间中心距分析应用UG软件对胶印机离合压机构进行了建模与虚拟装配。基于UG的运动学模块,讲述了创建运动仿真的过程。运用运动学模块中的测量功能,给出一种分析滚筒间中心距的方法。

关键词：胶印机；离合压机构；运动仿真；UG

引言

UG是集CAD／CAE／CAM

于一体、面向制造业的高端软件,广泛应用在机械设计、工程仿真和数字制造等领域。其运动分析模块<ScenarioForMotion>可用于建立运动机构模型,进行机构的干涉分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构中构件的位移、速度、加速度、力及力矩等。离合压机构是胶印机上完成图像转移、实现印刷工艺过程的关键机构,其橡皮滚筒与印版滚筒中心距及橡皮滚筒与压印滚筒中心距是重要的尺寸参数,准确地调节和设定滚筒间中心距才能获得理想的印刷压力]。通常分析滚筒间中心距的方法有作图法及计算机辅助编程法。由于在该机构中存在诸多调节环节,如支撑座滚轮的调节、摆杆机构中撑牙的调节以及凸轮和轴承套的不规则外形,使得用上述方法进行分析时,计算及编程的工作量较大,给该机构的分析带来诸多不便。应用UG软件分析,若要了解零、部件处于不同位置时的参数值,只需改变装配模型中零、部件的装配尺寸,便会自动链接到运动分析模型中,运行运动仿真,便可得到需要的结果。本文以某胶印机的机械"三点支撑式"离合压机构为例,应用UG软件对该机构进行建模与仿真分析。

1"三点支撑"式离合压机构

"三点支撑式"离合压机构简图[3见图1。其工作原理是通过改变橡皮滚筒12与印版滚筒13及橡皮滚筒与压印滚筒1O间的中心距,实现滚筒间的分离与接触。图1中印版滚筒轴o与压印滚筒轴o。通过滚动轴承安装于墙板孔中,滚筒轴的轴心位置保持不变。橡皮滚筒轴o,安装于滚动轴承中,滚动轴承安装于轴承套15的孔内,轴承套由两个固定支撑座滚轮部件14、16及一个浮动支撑滚轮部件11支撑来确定其中心位置。由于轴承套的外轮廓设计成特殊的轮廓曲线,当轴承套沿支撑滚轮转动时,使得橡皮滚筒轴轴心位置发生变化,起到改变滚筒间中心距的目的。合压时,合压凸轮及连杆机构带动轴承套作逆时针转动,使橡皮滚筒依次与印版滚筒和压印滚筒相接触。离压的过程则相反。由上述知,滚筒间中心距的改变主要由轴承套中心位置改变,使得安装于其孔中的轴承及橡皮滚筒轴轴心位置发生变化。滚筒间中心距尺寸变化主要由轴承套外轮廓尺寸决定。当需对机器进行调试或当印刷纸张厚度发生变化时,还可通过转动支撑座滚轮上的偏心轴来实现中心距的微调。图2为支撑轴承套的支撑座滚轮部件结构简图,该部件主要由偏心轴、滚轮座、滚轮及衬套组成。图2中O1为偏心轴的转动中心,O2为偏心轴与滚轮的配合中心,O3为偏心轴上标识孔位置中心。滚轮座与墙板连接,转动偏心轴,滚轮随着偏心轴的转动而改变位置,起到径向调节的作用。设偏心距O1O2为a,则滚轮的径向调节范围为0～2a。2离合压机构的零件建模与装配

运行UG软件,进入建模<Modeling>模块,对零件进行实体建模。该机构中凸轮及轴承套的轮廓尺寸均为离散坐标值,可先将零件的坐标点生成数据文件,应用Spline／Throughpoints／PointsfromFile指令,读人数据文件,绘制轮廓线,通过Extrude等指令生成离、合压凸轮及轴承套的零件图。图3为离压凸轮的实体模型。构建好零件实体模型后,进入装配模块<Assemblies>,对离合压机构的各零、部件进行虚拟装配,装配模型见图4。因为要分析支撑座滚轮部件<图1中14件、16件>中偏心轴位于不同位置时对滚筒间中心距的影响,对支撑座滚轮部件装配时设定角度装配参数。如图2所示,设定滚轮座侧面为基准平面A,过偏心轴轴线方向且过圆心O1及圆心O3的面为基准面B,装配时对面A与面B设定角度配对参数。设定图2中偏心方向远离A面最大位置处为0°,当偏心轴1绕滚轮座2逆时针转动时设定角度为正,则图示偏心轴上标识孔转至O3'位置时角度为6O°,当偏心位置02位于最下端时,角度值为180°。

3创建运动仿真

对装配主模型进行简化操作后,进入运动仿真模块<MotionSimulation>。创建运动仿真包括创建连杆、运动副及定义运动驱动等部分。

3．1创建连杆

对线在线上副<CurveonCurveJoint>的相关零件<包括凸轮、凸轮从动件摆动滚子、轴承套、左上支撑座滚轮与左下支撑座滚轮>建构辅助曲线,保证对应曲线位置在装配图中共面,将建构的曲线加入各自零件的引用集中<ReferenceSets>。根据离合压机构的运动关系,参见图1所示零部件名称,建立各连杆<Link>如下：

<1>L001：合压凸轮1及其轮廓建构曲线。

<2>L002：摆杆3、合压凸轮从动件摆动滚子建构曲线、撑牙4。

<3>L003：摆臂7与棘爪5。

<4>L004：拉杆9。

<5>L005：轴承套15及其建构曲线、橡皮滚筒12。

<6>L006：印版滚筒13、压印滚筒1O。

3．2定义运动副、3D接触<3DContact>与阻尼<Damper>

根据实际工作状况定义运动副如下：

<1>J001：L001与地固定,构建旋转副<Revolute>。

<2>J002：L002与地固定,构建柱面副<Cylindrica1>。

<3>J003：L003与地固定,构建旋转副<Revolute>。

<4>J004：L003与L004建立万向节运动副<Universa1>。

<5>J005：L004与L005建立旋转副<Revolute>。

<6>J006：L006与地固定,构建滑动副<Slider>。

<7>J007：合压凸轮1与从动件摆动滚子定义线在线上副<CurveonCurve>。

<8>j008：轴承套与左上支撑座滚轮定义线在线上副。

<9>J009：轴承套与左下支撑座滚轮定义线在线上副。

<10>G001：撑牙与棘爪建构3D接触<3DContact>。

<11>D001：摆臂运动副J003定义阻尼<Damper>。

3．3定义运动驱动

<1>J00l的运动驱动选择恒速,速度设定为1<°>／s。

<2>J009的运动驱动选择恒速,运动参数皆设为0,此运动副主要用来设定标志点<Marker>。

4滚筒间中心距分析

在橡皮滚筒、印版滚筒、压印滚筒中心处建构标志点A001、A002、A003,进人封装选项<PackingOption>的测量功能,选最小距离<M