董曉嵐

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215104）

基于UG NX弧面分度凸輪加工工藝分析及多軸加工仿真

董曉嵐

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215104）

以弧面分度凸輪工作輪廓面方程為基礎(chǔ)，基于UG NX 8.5完成弧面分度凸輪參數(shù)化實(shí)體造型設(shè)計(jì)；采用仿自由曲面法分析弧面分度凸輪的五軸加工中心加工工藝；基于UG CAM多軸加工模塊，實(shí)現(xiàn)弧面分度凸輪的刀位軌跡生成及模擬切削仿真。

弧面分度凸輪加工工藝多軸數(shù)控加工

引言

弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)用于兩垂直交錯(cuò)軸的高速、高精度間歇分度傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)定位良好，傳動(dòng)效率高，體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，是一種優(yōu)質(zhì)的分度機(jī)構(gòu)。主動(dòng)凸輪為圓弧回轉(zhuǎn)體，工作廓面為凸脊?fàn)?，通過(guò)工作面螺旋升角的變化實(shí)現(xiàn)分度盤(pán)的間歇運(yùn)動(dòng)和定位，通過(guò)中心距調(diào)整可消除滾子與凸輪槽間的間隙及磨損補(bǔ)償［1］。

由于弧面分度凸輪機(jī)構(gòu)主動(dòng)凸輪的工作廓面形狀復(fù)雜，屬于空間不可展曲面，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)與加工比較困難，如何提高弧面分度凸輪的加工精度有重要意義。本文基于UG NX實(shí)現(xiàn)弧面分度凸輪的參數(shù)化實(shí)體模型設(shè)計(jì)，采用五軸加工中心實(shí)現(xiàn)弧面分度凸輪的CAM工藝規(guī)劃及UG CAM刀位軌跡生成與模擬切削仿真。

1　面分度凸輪實(shí)體模型建立

1.1建模方法

弧面分度凸輪主動(dòng)凸輪工作廓面的曲面造型在UG NX中可采用2種方式實(shí)現(xiàn)：

（1）按照從動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)與主動(dòng)凸輪工作廓面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以從動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)作為剪切工具，在凸輪毛坯上沿著圓柱滾子中心線運(yùn)動(dòng)軌跡，切出弧面凸輪的工作廓面；

（2）根據(jù)主動(dòng)凸輪工作廓面曲面方程，借助MATLAB生成圓柱滾子運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)集，利用UGNX的方程曲線、曲面功能命令對(duì)弧面分度凸輪進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體建模。本文采用此法。

1.2弧面分度凸輪工作廓面曲面方程［1］

弧面分度凸輪的共軛接觸方程如下：

其中：（x1，y1，z1）為共軛接觸點(diǎn)在動(dòng)坐標(biāo)系 O2x2.y2.z2中的坐標(biāo)；P為凸輪分度期工作廓線的旋向；ω1為弧面分度凸輪的角速度；ω2為從動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)的角速度；C為中心距；為從動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)上滾子的位置角；r、為圓柱滾子工作廓面方程中的曲面參數(shù)。

1.3基于UGNX弧面分度凸輪實(shí)體模型建立

按照弧面分度凸輪工作廓面曲面方程，在MATLAB中生成從動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)圓柱滾子兩端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的點(diǎn)集，在UGNX中采用“通過(guò)點(diǎn)的樣條線”命令繪制滾子端點(diǎn)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖1），以滾子中心線為母線，滾子空間運(yùn)動(dòng)軌跡線為引導(dǎo)線建立直紋面（圖2）。采用“縫合”命令將生成的直紋面縫合成實(shí)體（圖3）。采用“回轉(zhuǎn)”、“倒角”、“剪裁”等命令建立弧面分度凸輪實(shí)體模型（圖4）。

圖1　滾子空間運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

圖2　弧面分度凸輪工作廓面Ⅰ

圖3　弧面分度凸輪工作廓面Ⅱ

圖4　弧面分度凸輪實(shí)體

2　弧面分度凸輪UGCAM加工工藝及模擬切削仿真

2.1弧面分度凸輪加工設(shè)備

目前，加工弧面分度凸輪的設(shè)備主要有兩種：（1）專用加工機(jī)床，采用專用夾具配合范成法加工原理，優(yōu)點(diǎn)是加工精度和效率高；（2）五軸加工中心，立式擺頭+轉(zhuǎn)臺(tái)（H-T）和雙轉(zhuǎn)臺(tái)（T-T）加工中心比較適合弧面分度凸輪的加工，優(yōu)點(diǎn)是一次裝夾，五軸聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速切削加工，夾具成本降低，加工精度高［2］。

2.2弧面分度凸輪的毛坯及裝夾

弧面分度凸輪毛坯選用圓柱毛坯，毛坯的外半徑選為凸輪的頂圓弧半徑，毛坯的長(zhǎng)度和中心軸直徑按照凸輪的實(shí)際尺寸。前序工序精加工弧面分度凸輪的端面，配以中心軸作為加工裝夾定位面。

圖5　弧面分度凸輪毛坯

2.3弧面分度凸輪的UGCAM加工工藝分析

在UGCAM“multi-axis”多軸加工模塊，“可變軸曲面輪廓銑”操作加工弧面分度凸輪采用“曲面區(qū)域”或“曲線/點(diǎn)”驅(qū)動(dòng)方式都可以實(shí)現(xiàn)。曲線/點(diǎn)”驅(qū)動(dòng)方式以分層銑削方式進(jìn)行加工，類同于傳統(tǒng)的范成法加工，刀具選用和滾子一致的幾何參數(shù)。選用四軸加工中心，刀具按照滾子與凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在毛坯上包絡(luò)出凸輪的工作輪廓曲面。此法加工路徑少、效率高，但是溝槽兩側(cè)會(huì)同時(shí)加工，難以實(shí)現(xiàn)精加工磨削［3］。

“曲面區(qū)域”驅(qū)動(dòng)方式以刀刃側(cè)面銑削方式進(jìn)行加工，采用“非等徑加工”，刀具直徑不必與滾子的直徑相等，刀具中心始終位于凸輪工作廓面的等距曲面上，刀具與凸輪接觸點(diǎn)的法線與曲面在該點(diǎn)的法線重合，采用的是仿自由曲面法實(shí)現(xiàn)弧面凸輪的五軸聯(lián)動(dòng)加工。此法雖然加工效率相對(duì)較低，但可以靈活選擇刀具，易實(shí)現(xiàn)等精加工磨削。本文采用此法。

2.4弧面分度凸輪的UG CAM及模擬切削仿真

（1）粗加工：粗加工目的是去除大部分余量，兼顧經(jīng)濟(jì)性和加工成本的考慮，要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度。進(jìn)入U(xiǎn)G CAM加工模塊，選擇多軸加工模塊，創(chuàng)建直徑為15mm的四齒端銑刀，切削速度v=150m/min，主軸轉(zhuǎn)速 n=4000r/min，每齒進(jìn)給量f=0.04mm，進(jìn)給量 vf= 318mm/min。

創(chuàng)建“可變軸曲面輪廓銑”操作，選擇“驅(qū)動(dòng)方法”為“曲面區(qū)域”，“指定驅(qū)動(dòng)幾何體”為“凸輪底面”，“切削模式”為“往復(fù)”，“步距數(shù)”設(shè)為100，“刀軸”為“遠(yuǎn)離直線”，“投影矢量”為“刀軸”，“加工方法”為“MILL_ROUGH”，選擇“切削參數(shù)”中的“空間范圍”選項(xiàng)設(shè)為“使用3D”，單擊“生成”按鈕，生成刀具軌跡，并且生成IPW毛坯，如圖6所示，切削仿真結(jié)果如圖7所示。注意：本文以100步距方式生成模擬刀位軌跡，實(shí)際加工步距采用徑向進(jìn)給量7%刀具直徑，深度進(jìn)給量4%刀具直徑，下同。

（2）精加工凸輪上/下表面：半精加工、精加工時(shí)兼顧切削效率和加工成本的前提下，主要保證零件的加工質(zhì)量，創(chuàng)建r=12mm的四齒球頭銑刀，切削速度v=200m/min，主軸轉(zhuǎn)速 n=5000r/min，每齒進(jìn)給量 f=0.02mm，進(jìn)給量vf=424mm/min。

創(chuàng)建“可變軸曲面輪廓銑”操作，選擇“指定切削區(qū)域”為“凸輪上 /下表面”，選擇“驅(qū)動(dòng)方法”為“曲面區(qū)域”，“指定驅(qū)動(dòng)幾何體”為“凸輪上/下表面”，“切削模式”為“往復(fù)”，“步距數(shù)”設(shè)為 5，“刀軸”采用“側(cè)刃驅(qū)動(dòng)體”，“指定側(cè)刃方向”為“徑向”，“投影矢量”為“朝向驅(qū)動(dòng)體”，“加工方法”為“MILL_FINISH”，單擊“生成”按鈕，生成刀具軌跡，如圖8、圖10所示，切削仿真結(jié)果如圖9、圖11所示。

（3）精加工凸輪外側(cè)表面：創(chuàng)建“可變軸曲面輪廓銑”操作，選擇“指定切削區(qū)域”為“凸輪外側(cè)表面”，選擇“驅(qū)動(dòng)方法”為“曲面區(qū)域”，“指定驅(qū)動(dòng)幾何體”為“凸輪外側(cè)表面”，“切削模式”為“往復(fù)”，“步距數(shù)”設(shè)為 5，“投影矢量”為“刀軸”，“刀軸”采用“遠(yuǎn)離直線”，“加工方法”為“MILL_FINISH”，單擊“生成”按鈕，生成刀具軌跡，如圖12所示，切削仿真結(jié)果如圖13所示。

圖6　弧面分度凸輪粗加工刀位軌跡

圖7　弧面分度凸輪粗加工切削仿真

圖8　弧面分度凸輪上表面精加工刀位軌跡

圖9　弧面分度凸輪上表面精加工切削仿真

圖10　弧面分度凸輪下表面精加工刀位軌跡

圖11　弧面分度凸輪下表面精加工切削仿真

圖12　弧面分度凸輪外側(cè)面精加工刀位軌跡

圖13　弧面分度凸輪外側(cè)面精加工切削仿真

3　總結(jié)

本文采用UG NX的方程曲線功能實(shí)現(xiàn)弧面分度凸輪參數(shù)化實(shí)體造型設(shè)計(jì)。采用仿自由曲面法分析弧面凸輪的加工工藝，選用刀具選擇合適的切削用量并確定走刀方式?；赨G CAM多軸加工模塊，創(chuàng)建“可變軸曲面輪廓銑”操作實(shí)現(xiàn)弧面分度凸輪的刀位軌跡生成及模擬切削仿真。采用五軸加工中心一次裝夾，實(shí)現(xiàn)高速切削加工弧面分度凸輪。

［1］曹巨江，李龍剛等.基于UG NX6.0的弧面分度凸輪三維實(shí)體建模與仿真加工［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，1（1）：169-171.

［2］孫永忠.弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)加工工藝的探討［J］.裝備制造技術(shù)，2010，5：108-109.

［3］胡自化，張平等.連續(xù)分度空間弧面凸輪的多軸數(shù)控加工工藝研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（24）：2184-2187.

［4］竇湘屏，袁光明等.五軸聯(lián)動(dòng)加工中心加工弧面凸輪［J］.機(jī)械制造與研究，2010，12（20）：45-60.

［5］高長(zhǎng)銀，李萬(wàn)全等.UG NX7.5多軸數(shù)控加工典型實(shí)例詳解［M］.機(jī)械工業(yè)出版社：北京，2012.

［6］姜厚文，楊浩.UG NX6固定軸與多軸銑培訓(xùn)教程［M］.清華大學(xué)出版社：北京，2010.

ProcessingPlanningAndMulti-axisMachining Simulation of Globoidal Cam Based on UG NX

Dong Xiaolan
Mechanic-electronicEngineeringCollege.SuzhouVocational University.Suzhou 215104

Based on the profile equation of the globoidal cam，parameterized solid modeling design of globoidal cam was completed in UG NX 8.5.Propose a machining planning of globoidal cam on five axismachiningcenterutilizingimitatefreeformsurfaceprocessing method.Perform the tool path generation and cutting simulation of globoidal cam in UG cam multi-axis machining module.

Globoidal Cam；Processing Planning；Multi-axis NC programming