賈廣躍，宋福田，管益輝

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

為推進中國制造2025[1]，工信部2016年組織實施了“智能制造綜合標準化與新模式應用”系列項目，高鐵作為國家名片，中車青島四方機車車輛股份有限公司承擔了“高速動車組關鍵零部件智能制造新模式應用項目”的實施。轉向架是時速350 km動車組的走行部分，軸箱體是轉向架的關鍵部件，其內孔與軸承配合，連接構架和輪對，在承受列車質量的同時，給列車傳遞動力。目前軸箱體數(shù)控編程仍然依靠手動進行，手工編程效率低，無法進行有效的仿真驗證，數(shù)控程序調試需要在現(xiàn)場設備進行調試。因手工編程質量不能保證，在程序調試過程中，輕則損壞工件、刀具，重則導致設備撞刀，主軸損壞。因此，手工編程存在著編程效率低下、程序可讀性差、程序調試時間長、設備安全性差等棘手問題。此外，由于加工中心、四軸、五軸設備程序的復雜性，手工無法編制出復雜的程序，數(shù)控設備得不到有效利用。隨著計算機技術的發(fā)展，CAM編程軟件逐漸走向成熟，掌握成熟的CAM軟件，設計可靠的數(shù)控程序，有效利用計算機仿真驗證技術已成為工藝人員必須掌握的核心技術。

1　加工仿真驗證環(huán)境構建和軟件工具

機加工數(shù)控程序設計、數(shù)控程序仿真驗證和產品、設備、夾具、刀具三維模型設計可利用現(xiàn)有的較為成熟的商業(yè)軟件構建。目前主流 CAM平臺已基本完整地涵蓋機加工數(shù)控程序設計與仿真驗證, 一般包括建模工具、高級加工仿真包、仿真創(chuàng)建工具、特征加工創(chuàng)建工具等核心模塊。利用已成熟的加工模板和加工知識庫可有效管理企業(yè)的數(shù)控工藝經驗，提高數(shù)控編程的標準化水平。利用CAM的仿真解決方案和G代碼驅動的真實仿真引擎，極大簡化數(shù)控程序檢查的過程，提高程序的準確度和可靠性，提高數(shù)控程序的安全性。 產品、設備、夾具、刀具可以使用成熟的三維CAD軟件CATIA、PROE、NX等設計。一個典型的由三維CAD軟件設計的軸箱體零件夾具模型如圖1所示。

圖1　夾具模型

2　三維數(shù)控編程和機加工仿真驗證的工藝研究

2.1　數(shù)據(jù)輸入接口

動車組軸箱體采用PROE或CATIA三維CAD軟件設計后，有兩種方式轉化為NX CAM所需的模型。一種是采用三維CAD軟件轉換為STP/IGES等格式[2]，然后NX CAM再讀入中間格式文件。另一種可以采用NX CAM轉換模塊，直接轉換PROE或CATIA三維模型為NX CAM所需模型。通過在幾何質量、尺寸精度、幾何面屬性等方面對比，三維模型特征保持不變，軸箱體數(shù)據(jù)檢查界面如圖2所示。加工設備為4軸聯(lián)動臥式加工中心，設備三維模型采用修改標準模型sim03_mill_4ax_fanuc獲得，工作臺修改為630×630，修改主軸尺寸，滿足仿真驗證要求。

圖2　軸箱體數(shù)據(jù)檢查

2.2　數(shù)控程序設計及仿真驗證

加工模板在NX CAM系統(tǒng)中起著關鍵的作用，是NX CAM系統(tǒng)的基礎[3]。以軸箱體第一工序加工為例，在NX CAM中進行數(shù)控程序設計流程如下：

(1)在工藝設計平臺環(huán)境TCM中，把數(shù)控加工的零件發(fā)送到TCM工藝設計環(huán)境中，使用規(guī)范的工藝設計模板創(chuàng)建結構化數(shù)控工藝[4]。軸箱體結構復雜，軸箱體除上、下、前、后、左、右周身加工外，軸承孔加工也較復雜。采用可旋轉工作臺的4軸聯(lián)動臥式加工中心，設計2個工序，第一工序的夾具設計如圖1所示。

(2)通過TCM和NX CAM的集成環(huán)境創(chuàng)建工序，為該工序指定所需的三維模型資源，如4軸聯(lián)動臥式加工中心和夾具等。刀具可使用簡化的三維模型，采用其他三維CAD設計詳細的三維模型有助于后續(xù)仿真驗證的安全性檢查，尤其應用于空間干涉碰撞檢查。

(3)創(chuàng)建工件坐標系，以軸箱體軸承孔中心為基準，建立工件坐標系[5]。

(4)定義軸箱體毛坯，采用NX CAM同步建模技術，識別工件特征[6]，快速創(chuàng)建工件毛坯，取消12×M20、M12、2×M6螺紋，對于平面增加1～2 mm余量，對于軸承孔等增加2 mm余量。

(5)定義刀具，軸箱體第一工序使用16把刀具，面銑刀、玉米銑刀、φ17.5鉆頭、φ10.3鉆頭、M12、M20絲攻、倒角銑刀、外圓鏜刀和立銑刀等。

(6)設置每個工序采用的切削方式。NX CAM 提供了鉆孔循環(huán)、絲攻、鏜孔等點位加工編程，具有多種輪廓加工、等高環(huán)形行切及島嶼加工平面銑削功能[7]。通過交互手段選擇被加工的幾何體或其中的加工區(qū)域、毛坯和避讓區(qū)域等。根據(jù)軸箱體加工工藝流程，首先進行平面銑，選擇軸箱體彈簧面、圓柱端面、下平面和減振器座平面等，進行平面銑削。再進行型腔銑，最后進行鉆孔、倒角和攻螺紋。

(7)設置刀具切削參數(shù)，包括主軸轉速、切削進給、切削液控制。程序參數(shù)設置包括對進退刀位置及方式、切削用量、行間距、加工余量、安全高度等。走刀形式直接影響加工的表面質量，平面輪廓銑削加工可以采用往復走刀行切，對于軸箱體彈簧面必須采用螺旋進給方式，避免往復加工出現(xiàn)接刀影響軸箱體的表面粗糙度。軸箱體下平面采用往復走刀方式。設置刀具的安全退刀距離為φ800，完成每個工步后，退刀至安全距離，再進行下一工步的切削，充分保證加工設備的安全性。

(8)自動產生刀具軌跡。在完成參數(shù)設置后，即可將設置結果提交給NX CAM系統(tǒng)進行刀軌的計算，自動產生的刀具軌跡如圖3所示，這一過程由NX CAM軟件自動完成。

圖3　刀具軌跡

(9)后處理，根據(jù)刀具軌跡和已設置的工藝參數(shù)，結合數(shù)控機床的性能及其所要求的數(shù)控程序格式[8]，生成該機床所能識別的數(shù)控加工G代碼程序[9]，后處理過程如圖4所示。

圖4　后處理過程

(10)刀具軌跡的仿真驗證。為確保數(shù)控程序的安全性，必須對生成的刀軌進行檢查校驗，檢查有無明顯刀具路徑錯誤、有無過切或者加工不到位，同時檢查是否會發(fā)生與工件及夾具的干涉。實時對切削過程進行仿真驗證[10]。檢查工件、設備主軸、夾具狀態(tài)，有助于及時發(fā)現(xiàn)過切、碰撞、超限程等問題，從而提早糾正錯誤，實現(xiàn)事前管理。在三維設計環(huán)境下，通過編程過程的可視化，便于檢查刀具切削過程，多角度查看刀具軌跡和刀具切入切出情況，從而優(yōu)化軸箱體加工工藝，提高設備切削效率。對仿真驗證中發(fā)現(xiàn)問題的程序，應調整參數(shù)設置重新進行計算，重新進行仿真驗證，軸箱體仿真驗證界面如圖5所示。

圖5　軸箱體機加工仿真驗證界面

3　數(shù)控文檔管理

NX CAM 數(shù)控設計過程中所需要的產品三維模型設計數(shù)據(jù)、刀具、機床、切削參數(shù)、模板等都從

工藝設計平臺TCM系統(tǒng)中獲得，而NX CAM系統(tǒng)產生的各種輸出文件，如NC程序、刀軌源文件、仿真驗證AVI文檔等都將直接由TCM系統(tǒng)管理，確保數(shù)據(jù)的唯一性，從而達到協(xié)同設計的目標。

4　結論

通過對動車組軸箱體某典型工序加工過程的數(shù)控程序設計與管理研究，定義了企業(yè)內部的相關管理制度，規(guī)范了模型準備、刀軌創(chuàng)建、后處理及工藝文檔輸出的整個過程。實踐證明，采用結構化模式組織編程所需的刀具、工序、切削參數(shù)等資源，有助于企業(yè)建立統(tǒng)一的CAM設計規(guī)范，提高機加工數(shù)控編程效率，縮短在生產現(xiàn)場設備調試時間，提高數(shù)控編程的安全性。

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