基于UG的数控多轴加工工艺优化和工装夹具设计

基于UG的数控多轴加工工艺优化和工装夹具设计摘要：随着现代制造业的发展，许多企业不再一味地追求高品质、高效率的生产，而是将更多的精力放在了优化CNC多轴加工工艺和工装夹具的设计上。“科技是第一生产力”，在劳动者、生产对象、生产工具这三大要素中，除了要熟练地运用生产工具外，还需要熟练地掌握生产技术。为了适应多样化的市场需求，必须对CNC工艺进行持续的改善，并设计出更加可靠的工装夹具，以达到交货周期，提高质量。关键词：多轴加工；工装夹具；机床仿真前言本文主要介绍了两种大型工件的加工方法，其中金属半环是一类具有复杂外形和易于变形的多面体件；由于其特殊的外形，使其不易进行装夹，且工件易发生变形、弯曲等工艺难题。但是，电机外壳是一种批量大、表面质量高的产品，采用常规的工艺，必然会导致产品的外观品质下降。本文主要介绍了UG/CAD软件，对两种不同类型的零件进行了工艺分析，并对其进行了多轴数控加工所需的模具夹具进行了详细的描述。采用UG/CAM软件实现了两种不同类型的多轴CNC编程。它是根据机床四、五轴的旋转特点，利用特殊的工具夹具，进行特殊的刀具定制，实现多轴的定点加工。通过UG刀道模拟功能，对刀具刀柄、工装夹具、工件之间是否存在干涉、过切等问题进行了分析。最后，对加工过程进行了后置处理，并产生了数控程序。1、概念1.1UG的CAD模块与CAM模块UG的CAD主要包括实体建模、特征建模、自由形状建模、工程绘图、组装等。CAM模块则提供数控加工CLSFS的创建和编辑功能，包括铣、车、线切割；此外，它还支持了图形后处理和机器数据生成，并提供了生产资源管理系统、切削仿真、图形刀轨编辑工具，如机床模拟及其他模拟及辅助处理。1.2多轴定点加工多轴方向切削是多轴加工中普遍采用的一种方法，它的多轴定位主要是用来控制加工过程中的刀具轴和程序座标仪Z轴的向量。1.3数控多轴机床加工技术概述1.3.1原理通常，CNC多轴加工是一种三个以上的连杆加工，是一种精加工作业方式，5轴多轴加工工艺是世界各国衡量其工业化程度的重要指标，这一技术在船舶、航天、模具、汽车等领域有着广泛的应用。多轴数控机床可分为两类：摆头型和摆台型。(1)一种摆台式工作台，该工作台可以在X轴的中心轴上旋转，X轴是在+30-120度之间的A轴。旋转台位于工作台中央，Z轴为C轴，360度旋转。(2)所述摇头型的主轴前端为旋转头部，可在X轴上旋转，并定义为A轴。在回转头上有一个B轴，它能绕着Y轴转动。在加工过程中，A轴的转动范围为-95~+95°。C轴能转动三百六十度。2轴联动，机床可完成5个以上的连杆，整体结构紧凑，夹紧力大，尺寸小，适合大转矩加工。1.3.2机床选择DMU70是以DMU50型万能铣床为基础研制的。该系统将新型的机床尺寸和验证技术相结合，使其旋转速度达到每分钟14000转，送料速度24米/分，配置刀库16-30刀位，可满足单个零件和小型批量生产的需要。横向滑板的设计方式使得铸铁零件具有肋形，该机床的基座是用水泥浇注而成的，二者结合，可以改善机床的工作性能。选用旋转摆动工作台与机床基座形成一体，具有大法兰直径，能确保刚性好，从而改善加工表面的质量和精度。2、利用UG/CAD功能绘制零件的三维图、工装夹具的设计两款零件成品如图1和图2所示：图1金属半杯样品图2电机机壳样品（1）一种金属半环的处理方法。该部件采用了铍青铜，这是一种以铍为基础的铜合金，适合于热处理。铍青铜因其优良的机械、物理和化学性能而被广泛应用于弹性元件和其它重要部件的生产。供货商所提供的毛料规格为：140毫米直径，100毫米空心。原始加工工序：粗料、半成品、时效、热处理、轴向前精、轴向后精、径向侧孔精加工、内壁孔精加工、线切割加工凹槽在进行轴向前、轴向后端加工时，必须要有一套专用的卡具，但这套卡具仅能确保夹持力；但不能保证多次定位的准确性，每次加工前都要对水平和对中心进行调整。为了完成四轴的四轴加工，必须再做一组模具。半成品因其外形为半圆形，在经过时效处理后产生的应力后，会产生一定的变形，每次装夹对正的效果不能很好地控制，这种工艺方案，必须对工件进行多次定位和装夹，若同时使用不同的定位基准，则必须多次变更工件的位置基准；另外，使用不同的夹具方法，很容易产生工件的形状和位置误差，而且每次装夹时的夹持力也不一致，使工件产生较大的变形，进而影响到后续的加工精度。五轴加工工艺的常见方法是，当两个转动轴线（ABC中的两个）向量方向被决定后，三个直线轴线（XYZ）进行三个轴线的联合移动来完成工件的加工。该工艺可有效地提高生产效率、减少装夹数量、防止装配错误。若使用五轴旋转工作台，并使用五轴定位，可有效地解决多次装夹造成的问题，仅需一次装夹；大部分的形状都能被处理。这样，在大批量生产的情况下，可以避免人工反复的调试，确保了产品的准确性，减少了工人的劳动强度，减少了调试的时间，提高了工作的效率。改造后的工艺：毛料、半成品、时效、五轴精加工、线切割、切口、移除“底座”，需要设计一种能进行定位、锁定的定位、锁定、以及采用五轴旋转平台定制的长柄T形刀具；可实现前轴向、轴向反面、径向侧孔，内壁小孔可同时加工。(2)马达外壳。其材质为：2A12铝合金，主要用于制造航空骨架、隔板、翼肋等高载荷部件，来料是用车床加工出的半成品。原加工方法：三轴端面加工外形及孔、槽→三轴加工侧面孔，但在实际生产中，对电机铝外壳后端盖零件的加工铣削分为两个阶段；生产效率低下，在装夹时容易夹伤、划伤，很难保证表面质量，由于外观质量问题，已经有多次返工返修，不良率高达20%左右。为此，用户对铝合金外壳零件的生产效率和质量提出了更高的要求。通过对铝合金外壳的工艺改造，提高了70%的生产效率，从80%提高到95%。通过对铣削工艺的调研，发现铣削工艺采用的是虎钳夹紧工件，工件的加工需要重复两次，铣削一次为15分钟/件，铣削二次为17分钟/件，整体加工周期较长。在多次装夹时，如果使用虎钳，稍有不慎，就会造成电机铝壳部件的表面划痕、压痕等问题，因为铝质部件的表面容易划痕。改造后的工艺：将原料（从车床上得到的半成品）→产品经生产确认，采用改进的工艺，可以将电动机铝外壳零件的加工效率从15台/日提高到33台/日，提高了120%左右的加工效率。经实际生产检验，采用该改进的工艺，可以将电机铝壳零件的加工合格率从80%提升至100%，达到了预期的目的。3、专用夹具的设计3.1金属半环在UG/CAD的基础上，建立了半环件和模具夹具的模型。金属半环的外型要求事先留有一定的尺寸，在一侧留2毫米，以避免人为时效后的变形。在底部增加了一个“底座”，接下来的5轴加工，就是用“底座”来进行定位，5个M5螺钉将“底座”和半成品一起锁住。在图3中可以看到。图3锁紧的方式固定图3.2电机机壳以UG/CAD为基础，建立了电机外壳模具的模具夹具模型。如图4所示，该模具用于四轴的加工，其上设有4个工作台，每台设有一定位孔；用螺丝锁住。图4建模设计图4、利用UG/CAM模块，对两款零件进行多轴数控程序的编制4.1基于UG的数控多轴加工工艺优化设计方式4.1.1四轴联动加工工艺优化设计四轴连杆的加工坐标不超过4就是四轴连杆，它所采用的加工坐标很少，这就限制了零件的刀道生成。四轴联动加工方法对陀螺件进行切削时，刀具与加工轨迹之间的距离会产生碰撞，从而造成刀杆不稳定，影响加工质量。通过UG软件中的插值向量函数，可以将其它不包括边缘的向量去掉，使工件转动轴线180度，按F8键，按下左键，完成转动轴的定位，并通过鼠标来调节部件的转动位置；按一下其它的矢量，确定视图的方向图，并在任意的空间位置上进行刀轴的控制。另外，利用UG插值-光顺的功能，可以克服由于转速不同而造成的刀具路径过于平滑的缺点，从而有效地解决了刀具和工件之间的碰撞干扰问题。4.1.2五轴联动加工工艺优化设计五轴联动加工是以五轴连杆机床为中心，利用其可变轴表面轮廓函数实现回转零件的加工。保证刀具轴线与传动本体垂直，并可对零件或传动模式进行插补角调整，以实现五轴连杆加工刀道。五轴加工过程中，仍存在着刀具和工件之间的相互碰撞干扰问题。利用UG软件的插值向量函数，并与四轴联动加工过程进行了优化，当零件转动到180度，按F8键点击后，用鼠标将刀轴的矢量方向调整到刀柄上，这样刀具和工件就不会发生碰撞干扰。在采用五轴连杆加工技术和装备对复杂的叶轮进行加工时，可以采用UG软件开发的特殊叶片加工模块，以保证五轴连杆加工的速度。4.2数控加工机床的选择依据零件的外形、精度要求和加工路线，选用合适的CNC加工设备。在此基础上，利用五轴加工中心对金属半环进行加工，对电动机外壳进行四轴加工。另外，模具和夹具必须由CNC加工中心来完成。采用五轴和四轴加工中心，一次装夹即可实现大部分加工部件的加工，该系统的定位参考总是一致的，不会产生位置误差累积，避免了由于零件的多次装配而导致的精度下降。4.3刀具与刀柄选择最小的流道与叶片的过度圆角是R3，因此选用R4球头铣刀或8mm端面多刃铣刀进行流道加厚处理。为了防止叶片的过度切割，应按流道和叶片R角度选用合适的刀具，以保证完整的流道和刀片；同时，将R角的残余物清除，这样，操作人员就可以不需要再进行清角了。在切削过程中，采用了DMU70五轴的功能加工技术。选用HSK型高速刀柄，具有高精度，体积小，结构紧凑的特点；高的静态和动力刚性，轻巧的质量，适合高速切割。5轴连杆时，应充分考虑B轴在加工过程中的摇摆角，如果摇摆角度太大，则会使主轴的偏移距离增大，从而缩短干扰距离，容易产生碰撞。因此，在选用刀柄时，应充分考虑B轴的摇摆角度，并对刀具和刀柄的长度进行适当的选取；根据加工强度的需要，在一定范围内保持安全的避空距离。4.4数控刀路的编制叶轮的开宽是提高整个叶轮加工效率的关键，这一目的只能通过编写有效的开粗刀路来完成。UG软件具有很强的加工功能，可以对叶轮进行适当的编程。在多轴加工模组中，采用球头铣刀进行程序设计。该系统可以实现对刀轴的开宽过程的自动控制，但是在加工时不能对其振幅进行控制。在没有充分考虑到这一因素的情况下，很容易出现碰撞事故，所以选用3+2方向切削的轮叶轮。本文对叶片的加工工艺进行了分析，如果叶片的曲度较小，可以采用二次定轴进行二次加工；如果叶片的曲度很大，二次定轴的粗化很难除去，或者有些多余的零件，需要二次以上的定轴加厚。在加工刀路编制、加工刀路优化设计中，对切割面积的控制是关键。4.4.1定义修剪边界设定加工坯料，使Z轴向量坐标系统具有清晰的修整界限。在UG软件中，采用模腔铣技术编制了流道定轴粗刀路。由于边界条件的制约，毛坯的加工过程中，由于流道导流叶片位于切削区的边缘，在进刀、退刀时，容易发生过度的干涉或过切，必须对加工刀路进行严格的检验。在编制开粗刀路时，必须考虑残余余量的影响。采用Z轴坐标向量，通过IPW搜索残余毛坯的方式，实现对残余毛坯的检测。4.4.2控制毛坯切削范围通过对流道的构造，对毛坯进行整体的划分，使其易于形成单个的流道。并根据切割需求确定Z轴向量，确定开粗刀路，再将剩余的毛坯加工成具有几何形状的工件，或者通过检测几何形状来控制进、退刀的方向和刀道的宽度，该方法可以对坯料的加工范围进行控制，从而简化了控制。5、利用UG的刀路仿真功能，进行数控程序的验证5.1刀路仿真模拟采用2D刀路数控刀具路径仿真，可以对刀具轨迹的准确性和可靠性、加工程序的加工次序进行检验，并能对刀具的加工过程进行动态仿真。在UG软件处理模块中，按下要验证的程序集，在刀道确认过程中，可以进行二维刀道模拟。5.2后置处理本文着重阐述了这两种产品的加工技术及模具夹具的设计思想。UG软件提供了一种性能优良的后置处理工具PostBuilder，通过将预处理得到的刀具位置数据文件、加工工艺参数与具体机床特性文件、定义文件相结合，生成NC加工程序，由NC加工设备识别。5.3基于UG的数控多轴加工工艺精度的可靠性处理5.3.1仿真准备模拟动作组件的建立。通过UG软件的开发，建立了五轴机床的运动模拟系统，包括主轴、转台、工件安装等。建立模拟组件连接点、轴，建立了基于上述的运动模拟系统，建立了运动学模拟部件的连接点和运动轴线，并以运动模拟节点为坐标系，保证了各个运动部件之间的高效连接；通过对机床的轴向位移进行调节，从而达到对机床的定向控制。后处理档案的建立和储存，建立连接点和轴之后，利用UG软件创建文档，创建一个后置处理文档，将轴的最大和最小值设为120和-100，并将轴和轴中心的偏移设为0。以记事簿格式开启安装档案，加入并储存后处理档案。点击机器视图选项，在弹出库类选择对话框后，将已设计好的机床运动模型导入到模型库中，进行加载。5.3.2加工与处理加工完毕后，进行精加工、半精加工、精加工、轮毂和刀片的加工，最后通过五轴数控加工机的后置处理。根据UG的应用环境，选取工艺导航，按下节点的操作按钮，获取加工过程的对话框；选择五轴后置处理器的新选项，然后选择弹出的输出方块，然后单击“确定”。五轴加工后处理程序采集完毕，以笔记本形式开始，产生五个五轴风机叶片的加工过程。6、结语本文所述的多轴CNC工艺具有广阔的应用前景，但本文仅介绍了这两类零件的制造工艺，一是形状复杂、不易定位的容易变形零件，二是批量大、表面质量要求高的多工序零件，这两类零件都是以UG/CAD/UG/CAM为基础，建立辅助工装夹具的三维体模型、工艺分析、复杂零件的多轴数控编程、多轴加工仿真和后期处理。这两种产品的外形并不复杂，但它们的加工原理却很有特色。本文所述的工装夹具、多轴转台，实际上是为了缩短人工装夹的调试时间，降低工人的劳动强度，达到提高效率和合格率的目的。另外，在UG编程中，UG编程中的