CAD/CAM技術(shù)在曲面殼體零件加工中的應(yīng)用

萬(wàn)金貴，張 飛，李 穎，丁 衛(wèi)

（1.上海第二工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，上海 201209；2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

UG（Unigraphics）是美國(guó)UGS公司推出的面向制造行業(yè)的交互式CAD/CAE/CAM高端軟件，具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、裝配、工程圖生成和數(shù)控加工等功能。作為一款非常優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，UG被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車、船舶和電子設(shè)計(jì)等領(lǐng)域［1－3］。

一些具有復(fù)雜空間曲面的零件，在設(shè)計(jì)造型、數(shù)控編程與加工上都有相當(dāng)?shù)碾y度和復(fù)雜性，選擇CAD和CAM功能都非常強(qiáng)大且高度集成的UG軟件可實(shí)現(xiàn)方便、高效、高精度的數(shù)控加工［4－5］。筆者以一個(gè)復(fù)雜曲面殼體零件的設(shè)計(jì)制造為例，介紹UG的CAD/CAM模塊在其中的應(yīng)用過程和方法，旨在為其他同類零件的數(shù)控加工提供參考。

1 CAD建模分析

1.1 UG的建模功能與方法

所有數(shù)控加工都由CAD建模開始。UG建模所用的模塊是UG－MODELING。

UG－CAD的建模方法主要有實(shí)體建模、線框建模和自由曲面建模3種。選擇何種建模方法，要依加工對(duì)象的特點(diǎn)而定。

1.2 零件特點(diǎn)與建模方法的選擇

需要設(shè)計(jì)一個(gè)玩具汽車模型的外殼，采用鋁合金材料，在3軸立式數(shù)控銑床上試制完成，并與已有的遙控玩具汽車車芯裝配，形成能正常遙控行駛的1∶24的玩具汽車模型。由于零件表面主要由曲面構(gòu)成，內(nèi)部又包含一些孔、槽結(jié)構(gòu)特征，因此需綜合利用UG的曲面建模和實(shí)體建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)造型。

實(shí)體建模主要包括顯式建模、參數(shù)化建模、基于約束建模和復(fù)合建模4種具體建模方法，其中復(fù)合建模法是顯式建模、參數(shù)化建模和基于約束建模3種建模技術(shù)的發(fā)展與選擇性組合。零件建模時(shí)，筆者選擇復(fù)合建模法。

1.3 零件的實(shí)際建模過程與技巧

該零件的設(shè)計(jì)過程大致如圖1所示。

在模型建立之前，首先確定零件的主要特征及建立特征的先后順序。根據(jù)零件的主要特征建立特征曲線，并通過適當(dāng)?shù)膾呗浴⒗?、橋接等操作建立零件的主要特征曲面。再利用一些曲面編輯工具，進(jìn)行修剪、延伸、倒圓、鏡像、縫合等操作形成完整的曲面造型。該零件外表面設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮曲面造型流暢、美觀，還應(yīng)考慮其需適于3軸數(shù)控銑床加工，將曲面片體加厚成實(shí)體（殼體），厚度為1.8 mm，再利用一些實(shí)體建模和編輯工具完成各細(xì)節(jié)特征和內(nèi)表面結(jié)構(gòu)特征的建模。

圖1 零件建模主要過程

建模中，零件外表曲面的構(gòu)建非常關(guān)鍵，重點(diǎn)和難點(diǎn)是保證曲面的光順性。先構(gòu)造特征曲線，對(duì)曲線進(jìn)行光順檢查，調(diào)整不光順的曲線或去掉其“壞點(diǎn)”，再利用“smooth”功能獲得光順的曲線。同樣，對(duì)生成的曲面也要進(jìn)行光順檢驗(yàn)，對(duì)光順性差的曲面，可運(yùn)用UG的分析功能并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)修正曲面的生成曲線，以實(shí)現(xiàn)曲面光順［6］。

另外，為方便后續(xù)數(shù)控編程，需構(gòu)建一個(gè)包容零件并留有適當(dāng)余量的長(zhǎng)方體毛坯模型如圖2所示。

圖2 所設(shè)計(jì)的零件與毛坯

2 CAM數(shù)控編程

2.1 數(shù)控銑編程流程

在UG中進(jìn)行數(shù)控銑編程時(shí)通常以圖3所示的流程圖為引導(dǎo)，創(chuàng)建各操作的刀位軌跡，這項(xiàng)工作貫穿工藝設(shè)計(jì)和加工的整個(gè)過程［7－8］。

2.2 工藝分析及加工工藝路線設(shè)計(jì)

該零件待加工的內(nèi)腔與外表面都是不規(guī)則曲面，需對(duì)加工順序和裝夾方式進(jìn)行仔細(xì)分析從而確定加工方案。根據(jù)零件總體外形特點(diǎn)，擬選用長(zhǎng)方體鋁合金坯料（188 mm×98 mm×48 mm）進(jìn)行加工，因此首次加工時(shí)可用平口鉗裝夾毛坯。在加工順序方面，如果先加工外表面，則內(nèi)腔加工時(shí)裝夾就很困難，并容易引起工件變形；反之，如先加工內(nèi)腔，那么加工外表面時(shí)也無(wú)法使用平口鉗直接裝夾，但可通過設(shè)計(jì)制作一個(gè)輔助夾具來(lái)解決。如圖4（a）所示，夾具為兩層結(jié)構(gòu)，下層是長(zhǎng)方體基體，為加工中平口鉗夾持使用，其長(zhǎng)寬高尺寸都通過分析計(jì)算確定；上層凸臺(tái)輪廓形狀根據(jù)零件設(shè)計(jì)，為使夾具與工件內(nèi)腔配合裝配方便，并考慮承受切削力，其輪廓上有間隔的4段區(qū)域分別與工件內(nèi)壁配合，形成被包容面與包容面的關(guān)系。輔助夾具與工件通過螺栓聯(lián)接。在UG的建模環(huán)境中，將夾具與零件一起設(shè)計(jì)，形成裝配模型，如圖4（b）所示。

圖3 UG數(shù)控銑編程流程圖

圖4 所設(shè)計(jì)的輔助夾具及其與零件的聯(lián)接形式

由于零件外表面的各個(gè)側(cè)面都具有拔模斜度，不能在3軸立式數(shù)控銑床上按一個(gè)方位加工完成，因此必須按上表面、右側(cè)面、左側(cè)面、后面、前面5個(gè)方位進(jìn)行5次裝夾完成加工，即多方位加工，加工工藝路線規(guī)劃如表1所示。

利用UG的CAM功能，按表1所列的每個(gè)加工部位創(chuàng)建一個(gè)程序組，針對(duì)其中每個(gè)獨(dú)立的加工內(nèi)容創(chuàng)建相應(yīng)的操作，對(duì)應(yīng)生成一個(gè)刀具軌跡文件并最終轉(zhuǎn)換成NC程序用于數(shù)控機(jī)床加工。以零件上表面加工為例討論各步驟的實(shí)現(xiàn)方法。

表1 零件加工工藝路線

2.3 加工環(huán)境初始化

進(jìn)入U(xiǎn)G制造模塊，在打開的對(duì)話框中選擇“cam_general”、“mill_contour”并點(diǎn)擊“初始化”按鈕，定義加工環(huán)境。

2.4 創(chuàng)建加工父級(jí)組

依次創(chuàng)建程序、刀具、幾何體父級(jí)組。方法父級(jí)組不予創(chuàng)建，采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置。

2.4.1 創(chuàng)建程序組

創(chuàng)建名稱為“SHANGBIAOMIAN”的程序組，位于根目錄“NC_PROGRAM”下。

2.4.2 創(chuàng)建刀具組

創(chuàng)建上表面加工用到的D20平刀、D8R0.5圓角刀、B6球刀和B2球刀，其中的前3把刀在前面的內(nèi)腔加工中已經(jīng)創(chuàng)建，無(wú)需重復(fù)創(chuàng)建。

2.4.3 創(chuàng)建幾何體組

如圖5所示，首先選擇創(chuàng)建坐標(biāo)系幾何體，名稱為“MCS_SHANG”。坐標(biāo)原點(diǎn)位置和各軸方向如圖6所示。設(shè)置安全平面（工件上方三角形表示）為距離毛坯上表面以上30 mm。

如圖7所示，選擇創(chuàng)建銑削幾何體，位置選擇“MCS_SHANG”，以繼承坐標(biāo)系幾何體的安全設(shè)置，名稱為“WORKPIECE_SHANG”。指定部件為“全選”，指定毛坯則選擇如圖2所示的長(zhǎng)方體。

圖5 創(chuàng)建上表面加工坐標(biāo)系

圖6 上表面加工坐標(biāo)系及安全平面的設(shè)置

圖7 創(chuàng)建并指定銑削幾何體

加工父級(jí)組創(chuàng)建后，就可在后續(xù)的各個(gè)操作創(chuàng)建中直接選用。

2.5 創(chuàng)建各操作

2.5.1 上表面粗加工

創(chuàng)建操作子類型選CAVITY_MILL，程序、刀具、幾何體分別選擇之前創(chuàng)建的父組件，在打開的型腔銑對(duì)話框中指定切削區(qū)域?yàn)槠嚿媳砻鎱^(qū)域，如圖8所示。

圖8 零件上表面粗加工操作創(chuàng)建及設(shè)置

打開切削參數(shù)對(duì)話框，底面和側(cè)壁余量都設(shè)為0.5；打開非切削移動(dòng)對(duì)話框，設(shè)置封閉區(qū)域進(jìn)退刀都采用螺旋方式，開放區(qū)域都采用圓弧方式；再打開進(jìn)給和速度對(duì)話框，設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為1600 r/min，切削進(jìn)給速度為320 mm/min，進(jìn)刀速度為120 mm/min。其余設(shè)置采用默認(rèn)值。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊型腔銑對(duì)話框底部的刀軌生成按鈕，生成刀路軌跡，還可動(dòng)態(tài)查看刀具切削過程及模擬結(jié)果以驗(yàn)證刀軌的正確性，如有問題再返回修改參數(shù)，重新生成刀軌。

2.5.2 上表面半精加工

因開粗后留料仍較多且不均勻，需用等高輪廓銑ZLEVEL_PROFILE實(shí)現(xiàn)分層銑削。其操作創(chuàng)建過程與粗加工類似，在圖8所示的創(chuàng)建操作對(duì)話框中點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，選MILL_SEMI_FINISH方法，刀具為T2_Φ8R0.5圓角刀，全局每層切深0.3 mm，切削層設(shè)置為“最優(yōu)化”，底面和側(cè)壁均留余量0.2 mm。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3000 r/min，切削進(jìn)給速度為500 mm/min，進(jìn)刀速度為200 mm/min。其余設(shè)置同粗加工。

2.5.3 上表面精加工

用T3_Φ6球刀，CONTOUR_AREA（相應(yīng)按鈕）子類型，MILL_FINISH方法，對(duì)上表面進(jìn)行曲面精加工。采用環(huán)繞等距加工方式，加工圖樣為“跟隨周邊”、“向外”、“順銑”、“恒定步距”為“0.2”mm、“應(yīng)用在部件上”。進(jìn)退刀都采用圓弧方式。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為3600 r/min，切削進(jìn)給速度為420 mm/min，進(jìn)刀速度為180 mm/min。

2.5.4 上表面清根加工

用CONTOUR_AREA方式，T4_B2球刀，驅(qū)動(dòng)方法選“清根”，以得到清晰的曲面輪廓。設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min，切削進(jìn)給速度為120 mm/min。

上表面全部加工效果如圖9所示。

圖9 零件上表面加工效果圖

零件其余各部位的CAM加工方法與上表面類似，幾個(gè)典型部位的坐標(biāo)系及部分刀軌顯示如圖10所示。

2.6 后處理生成NC代碼

圖10 零件各加工部位刀軌

所有生成的刀軌需經(jīng)過后處理才能生成被機(jī)床接受的NC代碼。由于不同的機(jī)床在物理結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方面不同，對(duì)NC程序中指令和格式的要求也就不同，因此要針對(duì)不同的機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)定制不同的后處理程序。該零件加工是在配備FANUC系統(tǒng)的3軸立式數(shù)控銑床上進(jìn)行。使用UG提供的后處理器開發(fā)工具UG/Post Builder，設(shè)置NC編碼所需的參數(shù)以及機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如機(jī)床、程序、刀軌、數(shù)據(jù)格式、列表文件、輸出控制及文件預(yù)覽等，來(lái)創(chuàng)建適合該機(jī)床的后處理程序，然后在UG加工環(huán)境中選擇該后處理程序?qū)Ω鞯盾夁M(jìn)行后處理，生成適應(yīng)加工的NC代碼，如圖11所示。

圖11 后處理生成的部分NC代碼

3 零件加工

由于零件形狀以及加工環(huán)境的復(fù)雜性，刀具軌跡的生成過程中一般不考慮機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)和工件的裝夾方式，因此不能確保生成的數(shù)控加工程序安全、正確地執(zhí)行。為了檢驗(yàn)刀軌和程序的正確性，防止加工過程中出現(xiàn)撞刀和過切等意外現(xiàn)象，在實(shí)際加工前采用專業(yè)數(shù)控加工仿真軟件VERICUT對(duì)所生成的程序進(jìn)行了仿真加工檢驗(yàn)［9－10］。限于篇幅，此處不再詳述。

將生成的NC程序傳入數(shù)控銑床加工，加工完成的零件具有高的精度和表面質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)和要求。實(shí)際加工完成的零件如圖12所示。

圖12 實(shí)際加工完成的零件

4 結(jié)論

利用UG軟件強(qiáng)大的三維CAD功能，既可方便地進(jìn)行復(fù)雜曲面殼體零件的造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可將加工需用的輔助夾具等與零件進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，使工藝設(shè)計(jì)變得靈活高效。在軟件的CAM模塊中，一方面通過引用曲面零件的三維整體造型，將干涉面、輔助面、刀具軌跡限制區(qū)域等一次全部設(shè)計(jì)完成，從而方便地生成正確的刀具軌跡；另一方面，通過合理的CAM編程與造型策略優(yōu)化刀具軌跡，保證零件的加工質(zhì)量，提高編程的效率和質(zhì)量。

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