石從繼，亓劍

(華中科技大學(xué)武昌分校機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430064)

隨著人類生活水平的提高，對(duì)產(chǎn)品多樣化的要求日益強(qiáng)烈，產(chǎn)品的復(fù)雜多樣性日益突出，當(dāng)前CAD/CAM技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。UGS(Unigraphics Solutions)是全球發(fā)展最快的機(jī)械CAX(即CAD、CAE、CAM等的總稱)公司之一，其產(chǎn)品UG軟件是當(dāng)前世界上最先進(jìn)和最緊密集成的、面向制造業(yè)的CAX高端軟件，它融合了線框模型、實(shí)體造型和曲面造型等技術(shù)，提供了多種類型的加工方法，可用于各種表面形狀零件的粗加工、半精加工和精加工［1-3］。以 UG軟件為工具，對(duì)多邊形凹球面體零件進(jìn)行造型設(shè)計(jì)、五軸數(shù)控編程和仿真加工研究。

1 零件分析

多邊形凹球面體的二維CAD及效果圖見圖1。

零件上所有的點(diǎn)都在一個(gè)直徑120 mm的半球面上，頂端是在半球上截?cái)嗟玫降囊粋€(gè)圓平面，底部是半球直徑處開始的兩個(gè)圓形臺(tái)階，臺(tái)階處圓角為2 mm，高度都是7 mm，零件總高度是59．65 mm。零件四周最頂端與圓平面連接處由五邊形圍成，底部臺(tái)階連接處由四邊形圍成，其余均為空間六邊形構(gòu)成封閉半球體，在每一個(gè)多邊形中由一個(gè)內(nèi)凹3 mm的曲面填充。

圖1 多邊形凹球面體的二維CAD及效果圖

2 造型設(shè)計(jì)

UGNX是目前應(yīng)用較為廣泛的CAD/CAM三維參數(shù)化軟件，其CAD三維建模造型和CAM數(shù)控加工制造模塊功能極強(qiáng)，所以作者采用UG NX 6．0進(jìn)行多邊形凹球面體的造型和數(shù)控加工設(shè)計(jì)［4-6］。

2．1 構(gòu)建半球基體

利用UG軟件的“特征”工具，首先構(gòu)建一個(gè)直徑120 mm的半球，按設(shè)計(jì)要求，在半球球面上，繪制不同高度的平行于底面的基準(zhǔn)平面，如圖2所示，單擊“特征”工具欄中的“相交曲線”按鈕，創(chuàng)建基準(zhǔn)平面與半球面的相交線，即半球面的緯線，最后對(duì)半球頂部進(jìn)行修剪。

圖2 半球面緯線

2．2 構(gòu)建半球表面線段

對(duì)半球面的緯線進(jìn)行分割，最頂部的緯線分割為9段，其他緯線都分割為18段，注意不同高度的緯線分割起點(diǎn)角度相差10°，用直線將各個(gè)分割點(diǎn)進(jìn)行相連，如圖3所示。圓形陣列旋轉(zhuǎn)復(fù)制相連的直線段，隱藏不需要的緯線，效果如圖4所示。

圖3 等分割緯線

圖4 半球面表面線段

2．3 構(gòu)建內(nèi)凹曲面

首先構(gòu)建弧面控制曲線，在六邊形的兩平行邊的中點(diǎn)連接一直線，再繪制一條過該直線中心的指向球內(nèi)部的長度為3 mm直線段，以三點(diǎn)畫圓弧的方式畫出弧面控制曲線，如圖5所示。選擇“插入”→“網(wǎng)格曲面”→“N邊曲面”命令，“外部環(huán)”順時(shí)針選擇六邊形的6條邊，“內(nèi)部曲線”選擇弧面控制曲線，構(gòu)建一個(gè)內(nèi)凹曲面，將其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制，如圖6所示。以同樣的方法構(gòu)建每一層的內(nèi)凹曲面，最后進(jìn)行陣列旋轉(zhuǎn)復(fù)制，最終效果如圖7所示。

圖5 弧面控制曲線

圖7 內(nèi)凹曲面整體效果圖

圖8 多邊形凹球面體整體效果圖

2．4 構(gòu)建底座

利用UG軟件的“特征”工具拉伸命令，繪制球面體底部的兩個(gè)高度為7 mm的底座，進(jìn)行求和和倒圓角后，多邊形凹球面體的造型設(shè)計(jì)就完成了，效果如圖8所示。

3 數(shù)控加工編程設(shè)計(jì)

在UG NX6中，多軸加工主要是指可變軸曲面輪廓銑和順序銑，其刀具軌跡主要通過控制刀具軸矢量、投影方向和驅(qū)動(dòng)方法來生成，多軸加工主要用于半精加工或精加工曲面輪廓銑削，其加工區(qū)域由選擇的表面輪廓組成，并且提供了多種驅(qū)動(dòng)方法和走刀方式。

多邊形凹球面體毛坯是一個(gè)直徑為122 mm的半球體，底部已加工。由于它具有表面復(fù)雜、加工區(qū)域多、內(nèi)凹圓弧面等特點(diǎn)，因此采用UG五軸進(jìn)行半精加工和精加工。除了X、Y、Z三軸外，增加B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，即刀具可以繞Y軸旋轉(zhuǎn)以加工單個(gè)內(nèi)凹圓弧面，同時(shí)工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)，以加工多個(gè)內(nèi)凹圓弧面。加工坐標(biāo)系設(shè)置在底座中心，以底座平面為基準(zhǔn)裝夾在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，各工步的內(nèi)容、加工方式、刀具、進(jìn)給、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)如表1所示。

表1 多邊形凹球面體加工工步

圖9 可變軸曲面輪廓銑刀路軌跡

可變軸曲面輪廓銑在加工過程中要設(shè)置刀軸的軸線方向始終指向內(nèi)凹圓弧面的法向，采用邊界驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方法采用表面積驅(qū)動(dòng)方法，指定切削區(qū)域選擇球體的內(nèi)凹部分，刀具路徑如圖9所示［7］。

4 仿真加工

對(duì)加工程序的運(yùn)行進(jìn)行圖形仿真，以檢驗(yàn)加工程序的正確性，仿真模擬包括兩部分:前置仿真 (刀軌可視化)和后置仿真 (機(jī)床仿真)。前置仿真主要播放刀具軌跡和模擬切削毛坯;后置仿真主要是仿真機(jī)床的切削過程。利用UG系統(tǒng)自帶的五軸機(jī)床模型，仿真加工效果如圖10所示［8］。

圖10 仿真機(jī)床切削過程

5 結(jié)束語

借助UG NX6的CAD/CAM功能，研究了多邊形凹球面體的三維造型設(shè)計(jì)和五軸數(shù)控加工編程過程，通過合理選擇刀具和機(jī)床，并針對(duì)多邊形凹球面體的幾何特征確定了刀軸的控制方式和刀具軌跡驅(qū)動(dòng)方法，最后利用UG的機(jī)床模擬仿真功能進(jìn)行了仿真加工驗(yàn)證。通過采用CAD/CAM技術(shù)，為復(fù)雜零件的設(shè)計(jì)、制造開辟了新的有效的途徑。

【1】韓式國，趙軍，陳曉曉，等．?dāng)?shù)控編程技術(shù)及其典型應(yīng)用研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(3):100-103．

【2】趙中華．基于UG平臺(tái)的葉輪五軸數(shù)控編程［J］．上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(3):9-12．

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【4】陳文濤，夏芳臣，涂海寧．基于UG和VERICUT整體式葉輪五軸數(shù)控加工與仿真［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(2):102-104．

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【7】查韜，田偉，賈東永．從學(xué)習(xí)到實(shí)踐UG NX6數(shù)控加工［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

【8】王衛(wèi)兵．UGNX數(shù)控編程實(shí)用教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2005．