UG/CAM在复杂型面加工中的应用

樊广中

0 　引言
& K2 N3 Q( E1 |% N. O# P) }随着CAD、CAM、CAE 等技术不断发展和日趋完善,它们在各个领域得到了极其广泛的应用。其中Unigraphics 软件是这一技术发展得比较成功的软件之一,它起源于美国麦道飞机公司,以CAD/ CAM/CAE 一体化而著称,目前已广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域。其CAM 模块尤其出色,在同类软件中处于绝对领先地位,它提供了一种交互式编程工具,可计算生成精确可靠的刀具加工轨迹,是一个功能强大的计算机辅助制造模块。目前,这一技术已成功应用于模具及零件的制造过程,为企业带来了极高的加工质量及可观的经济效益。
现代制造业所面对的经常是具有复杂型腔的高精度模具制造及复杂型面产品的外型加工,其共同特点是以复杂三维型面为结构主体,整体结构紧凑,制造精度要求高,加工成型难度极大。通过近几年对UG软件的应用摸索,针对上述制造过程中普遍存在的技术难点,将传统工艺方案中适用现代数控加工的精华部分溶入UG/ CAM的应用过程,总结出一套适用于各类复杂型面的数控加工编程方法。
1 　建立数学模型
任何一个软件都是以CAD 阶段所获得的产品三维实体模型作为其CAM 阶段刀轨计算的数据来源。模型是基础,它的正确可靠性直接影响刀轨数据的正确可靠性。UG/ CAM所依赖的数据计算模型可以通过两种途径获得:
; ^& f. M3 }! d( ma. 用UG软件的CAD 系统直接构造。
b. 通过IGES、STEP 或UG的专用数据接口(如parasolid) 将其他CAD 系统构造的数据模型进行转换,再对转入模型的歧异部分进行处理,使之符合UG/ CAM系统的要求。
在建立模型之前,我们应首先对模型各特征的建立顺序及建立方法作周全考虑,先作什么,后作什么,用什么方法作,使用哪一种造型功能,这些对后续的CAD 及CAM 工作都将产生极其重要的影响。另外,在产品型面结构特别紧凑的情况下,一定会有不少型面在理论上是相切关系,因此必定造成临界关系面的存在,这种关系的存在往往导致布尔运算无法正常进行,因此,在建立数学模型时必须对这种关系进行恰当处理。这一处理过程是建模过程中最容易被忽视也是最重要的步骤之一。例如,我们可以将产品允许公差合理容入数学模型中,对局部尺寸进行合理调整,这样就可以避免临界关系的存在,使各特征单元通过布尔运算顺利合并为一整体。
2 　确定加工坐标系
实体模型的建立是以工作坐标系为基础,而数控加工刀位源文件的生成则是以加工坐标系为基础。加工坐标系的坐标原点位置应便于加工者快速准确对刀,同时方便加工过程中需要进行的尺寸计算。确定加工坐标轴方向时应考虑被加工产品在数控机床上的装夹摆放情况。
. G  z( n/ _+ {* `7 I6 k4 N3 　规划刀位源文件
根据不同产品型面的结构特点, 我们可选用UG/ CAM 提供的PLANAR MILL (平面铣) 、CAVITYMILL (型腔铣) 及FIXED CONTOUR (固定轴轮廓铣) 3 个各有特色,相辅相成的加工模块规划各类型面的加工刀位源文件,这一过程中既可单独运用其中某一个模块编程将型面加工成型,又可搭配使用各模块生成型面加工刀位源文件。总之,应根据加工型面的不同灵活掌握各模块应用特点,高质量、高效率地加工出我们满意的产品。
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图1
PLANAR MILL 及CAVITY MILL 是规定二轴联动的加工模块,可规划刀具平面轮廓运动及加工精度,并提供了用点、线、棱边、面进行驱动的刀具轨迹计算方式。对PLANAR MILL 而言,进行刀轨计算时只需要构成加工对象的线或棱边即可。如图1所示平面1 及平面2 就很适合用该加工模块编制其数控加工程序。应用CAVITY MILL 模块进行加工计算时,必须有表征零件三维数据的数学模型,同时还需要构造Boundary(边界) 或Blank Geome2try(毛坯体) 等要素。如图2 所示内腔的刀轨路径可用该模块进行精确规划,我们可以采取圆柱平底铣刀以自上而下的分层环绕方式去除毛坯多余材料并最终成型其内腔型面。
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- w( M7 b2 l: d; F2 |图2
  \7 I1 C' u8 \/ UFIXED CONTOUR 是规定三轴联动的加工模块,它提供一种完全的和综合的加工方式,可适应实际加工中各种工序加工的需要,可用于进行粗加工、半精加工、精加工及清根等操作,它还提供了多种走刀方式和驱动方法,可自由规划刀具的三维空间运动轨迹及加工精度,可以用来加工任何形状的型腔或零件表面,运用该模块进行刀具切削轨迹计算时需要提供构成加工对象的三维数据模型(如片体Sheet Body 或实体Solid Body 等) 以及相应驱动方式。
! K5 V8 q7 }! w7 O. }1 r3 U三维型面如图3 所示时,我们可以在该加工模块下简便地以圆柱球头铣刀采用放射式走刀方式将型面加工成型。采取这种方式编程加工,编程工作量小、效率高。

0 Y/ E  x3 e- L, e+ \- k6 b% p图3
, A, I) T( N- w, J' }4 \大多数情况下,以上3 种加工模块应合理搭配,综合使用。这时各模块驱动几何体的合理定义非常重要,它直接影响零件型面的成型质量、加工程序的实用性、加工效率及切削刀具的几何参数。15 处加强筋成型如图4 所示。槽(粉红色所示) 时,我们就应采用不同加工模块分别规划其粗、精加工刀轨路径。粗加工过程可以用CAVITY MILL 模块以直径小于槽宽的适当平底柱铣刀逐层去除毛坯材料。切削深度的定义是这一阶段规划重点,它直接影响切削效率以及为精加工阶段所保留加工余量,切削深度由公式H = ( Ramax - Ramin) ×ctgA 计算而得。其中H 为切削深度, Ramax、Ramin 分别为最大、最小加工余量,A 为加强筋与水平面夹角。在粗加工为精加工规划好加工余量和预留形状后,精加工过程就可以采用FIXED CONTOUR 模块以直径与槽宽相等牛鼻铣刀沿型铣削,高质量高效率将槽加工成型。

: z9 l$ M, r3 B* \: Y+ O- Z图4
如图5 所示区域1 所示型面,也是一个需要综合应用各加工模块对精加工刀具轨迹进行合理规划的典型实例。其型面极不规则,不仅二维型面与三维型面交织在一起,并且容刀空间很小,型面间落差又很大,这些都不利于加工刀具路径的合理规划,稍有偏差就会出现扎刀、啃刀、碰撞、过切等诸多不良现象,因此,刀轨规划要作得极为周密。我们可先运用PLANAR - MILL 模块,以圆柱平底铣刀进行二维型面铣削,这一过程需要基于菱形轮廓手工定义对应于不同深度的各驱动边界。可通过Extract 抽取出菱形柱面与周边型面的相贯线, 再运用ProjectPoints/ Curves 功能获得相贯线在对应侧面的二维投影线,用数学的方法将这些投影线简化为一段段直线后,我们可采用计算图四加强筋切削深度的原理来计算恰当的刀具每层铣削深度,此时需要综合考虑各相贯线对切削深度的制约因素。由于我们所进行的并不是纯理论的研究,而是伸手可及的机械加工,所以在计算过程中应加入我们的数控加工经验值进行近似求解,在求得各层切削深度值后,再作出区域1 内型面在各切削深度层面的最大外轮廓线作为各切削深度所对应的驱动边界,该驱动边界内应包含有切削刀具的进刀点及退刀点,保证刀具不碰伤整个产品的任一处型面,要能做到在确保加工质量、加工效率及可行的刀具参数的同时尽量大面积地将该区域内的二维型面加工成型,同时去除三维型面的表面加工余量,为后续的精加工作好前期准备。之后,我们再运用FIXED CONTOUR 加工模块,用圆柱球头铣刀对上一过程不能成型的三维型面进行成型加工及清根操作,这里要强调走刀方式和驱动方式的定义,它们是确保型面加工质量的关键,应针对三维型面的空间变化趋势,尽量沿型面变化较大的方向走刀,走刀方式可确定为沿平行于走刀方向进行往复切削。

/ ?2 z. e+ [0 {) O+ ?图5
整个操作方式编程工作繁琐,设定驱动边界时要求全局考虑,仔细计算到所有相关特征,其优点则在于生成加工刀轨路径时计算量很小,计算速度快,生成的加工程序短小适用,加工效率极高,型面的成型精度及表面粗糙度也都很高。
0 V6 O7 C6 B* t$ a4 　结束语
1 L4 g, _5 _( \3 q: Q; Z实践证明,UG/ CAM 的高端技术可以为产品复杂三维型面的数控加工带来极高的加工效率、加工质量,并给企业带来可观的经济效益。我们还将在此基础上进一步拓展思路,将更先进的VariableContour (可变轴轮廓铣) 等加工模块应用于数控加工中,让这一先进的制造技术继续为企业的产品开发制造及各类加工中心(包括三轴、四轴、五轴加工中心) 的高效利用发挥巨大作用,创造出更多的经济效益。
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