基于UG NX6.0的整體葉輪的多軸加工技術(shù) 葉輪加工是當(dāng)今多軸聯(lián)動數(shù)控加工最常見的實(shí)例,也是數(shù)控加工的難點(diǎn)之一。本文從實(shí)際出發(fā),使用UGCAM 五坐標(biāo)編程系統(tǒng)對整體式葉輪進(jìn)行數(shù)控編程,采用插值方式對刀軸矢量進(jìn)行勻化處理,采用SWARF方法對葉片進(jìn)行精加工,同時(shí)合理控制進(jìn)退刀,實(shí)現(xiàn)了整體葉輪葉片高質(zhì)量無干涉的五坐標(biāo)螺旋銑削加工刀位點(diǎn)軌跡生成。為復(fù)雜產(chǎn)品的造型和數(shù)控加工提供了設(shè)計(jì)思路和方法,也給其他類型葉輪的設(shè)計(jì)與加工提供了參考方案。 作為動力機(jī)械的關(guān)鍵部件,整體式葉輪廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域,其加工技術(shù)一直是制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。葉輪的加工質(zhì)量直接影響整機(jī)的動力性能和機(jī)械效率,數(shù)控加工是目前國內(nèi)外廣泛采用的加工整體三元葉輪的方法。整體葉輪的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在： 三元整體葉輪的形狀復(fù)雜,其葉片多為非可展扭曲直紋面； 整體葉輪相鄰葉片的空間較小,而且在徑向上設(shè)有半徑的減小通道越來越窄,因此加工葉輪葉片曲面時(shí)除了刀具與被加工葉片之間發(fā)生干涉外,刀具極易與相鄰葉片發(fā)生干涉；刀位規(guī)劃時(shí)的約束條件多,自動生成無干涉刀位軌跡較困難。國外一般應(yīng)用整體葉輪的五坐標(biāo)加二專用軟件,如美國NREC 公司的MAX25,MAX2AB葉輪加工專用軟件等。目前,我國大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家多數(shù)采用國外大型CADcAM 軟件,如UG NX、CATIA、MasterCAM 等來加工整體葉輪。本文選用目前流行且功能強(qiáng)大的UG NX6.0對復(fù)雜曲面整體葉輪進(jìn)行加工仿真研究。 1 整體葉輪數(shù)控加工工藝 根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)特征和使用要求<如圖1>,其基本加工工藝流程為： 在鍛壓鋁材上車削加T回轉(zhuǎn)體的基本形狀； 外型整體粗加工； 流道粗加工； 葉片精加T； 對底部倒圓進(jìn)行清根。2 機(jī)床準(zhǔn)備 DMU-100T 是從德國DMG 公司引進(jìn)的一臺全閉環(huán)五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心,采用主軸擺動+圓工作臺旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。行程參數(shù)為：X軸1 080 ITITI,y軸719 mm,Z軸710 mm,3軸<主軸擺動>103°,C軸<工作臺旋轉(zhuǎn)>360°。該機(jī)床具有轉(zhuǎn)速高、聯(lián)動結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、在軸聯(lián)動技術(shù)成熟的特點(diǎn)。機(jī)床控制系統(tǒng)果用HEIDENHAIN iTNC 520 系統(tǒng)。利用UG Post Builder軟件構(gòu)建DMU-100T、機(jī)味專用的開置理。 3 刀具的選擇 為提高加工效率,存進(jìn)行流道開粗和流道半精加工過程中盡可能選用大直徑球頭銑刀。但是也要注意使刀具直徑小于葉片間最小距離；在葉片精加工過過程中,應(yīng)在保證不過切的前提下盡可能選擇大直徑球頭刀,即保證刀具半徑大于流道和葉片的交接部分的最大倒圓半徑。在對流道和相鄰葉片的交接部分進(jìn)行清根時(shí),選擇的刀具半徑小于流通和葉片相接部分的最小倒圓半徑。 4 數(shù)控編程 41 粗加工 粗加工是以快速切除毛坯余量為目的,其考慮的重點(diǎn)是加工效率,要求大的進(jìn)給量和盡可能大的切削深度,以便在較短的時(shí)間內(nèi)切除盡可能多的余量。粗加工對表面質(zhì)量的要求不高,因此,提高粗加工效率對曲面加工效率及降低加工成本具有重要意義。在UG加工狀態(tài)下,"創(chuàng)建操作"對話框中。選擇類型"MIL-CONTOUR"建立機(jī)床控制操作,再選擇子類型"CAVITY-MILL"型腔銑。這是三軸聯(lián)動的粗加工模式。選用直徑為25R5的圓角銑刀加工,切削方式采用"跟隨部件",背吃刀量的06mm,刀具與刀具之間的步距為刀具直徑的65%,部件側(cè)面與底面留余量0.5mm。 42 開槽與擴(kuò)槽 葉片扭曲且包角較大,刀具在通道內(nèi)要合理擺動,使得刀具盡可能地接近葉片的兩側(cè)面而又不過切輪轂及輪蓋。采用通常的刀軸驅(qū)動方法很難實(shí)現(xiàn)。刀軸插補(bǔ)<ToolAxis Interpolation>這一功能對于葉輪通道加丁非常有用,它通過在葉片與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸,輪轂面上其余刀具位置點(diǎn)的刀軸矢量由U、V 雙向線性插值或樣條插值獲得。這樣,刀軸能很好地按照加工的需要而得到控制。在不過切的情況下,最大限度地減少葉片面與輪轂之問的殘留區(qū)。邊界矢量的定義是一個(gè)十分細(xì)致的工作,其基本原則是避免刀軸的突變,保證刀軸平滑變化。 在創(chuàng)建操作對話框中,選擇類 "mill_multi_zxis"多軸銑加工操作建立模飯。選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑.幾何體選擇整體葉輪。為了避免有過切現(xiàn)象,選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面。選擇驅(qū)動方式為"表面積"。刀軸選擇"插補(bǔ)",選用直徑為20 mm 的球刀加工。選擇多重深度切削,步進(jìn)方式采用增量式,增量值為05mm。部件留余量為03mm。加工時(shí)需要考慮進(jìn)刀退刀的問題,在非切削參數(shù)設(shè)置界面,選擇"傳遞快速"區(qū)域之間下拉條中定義好逼近、離開、移刀運(yùn)動的設(shè)置。其中"安全設(shè)置"設(shè)置為"球"半徑選擇250mm。用刀路變換命令加工其余流道曲面。 43 葉片精加工 SWARF 方法也叫側(cè)刃或表面驅(qū)動法,SwARF驅(qū)動刀軸隨葉片直紋面的U 向或V向連續(xù)變化,刀具底部接觸輪轂面。側(cè)面接觸葉片表面形成單條刀路,從而實(shí)現(xiàn)葉片的精加工。在創(chuàng)建操作對話框中,選擇類型"mill_multi_zxis"多軸銑加工操作建立模板,選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。選擇驅(qū)動方式為"表面積",為了加工到位,曲面百分比方法設(shè)置如圖。刀軸選擇"側(cè)刃驅(qū)動",切削模式選擇單向。選用直徑為20 mm 的球刀加工,部件留余量為0。產(chǎn)生的刀具路徑如圖6所示,用刀路變換命令加工其余葉輪曲面。44 流道精加工 同樣選擇類型"mill_multi_zxis"多軸銑加工操作建立模板,選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。幾何體選擇整體葉輪,為了避免有過切現(xiàn)象,選擇流道兩側(cè)的面為干涉檢查面,選擇驅(qū)動方式為"表面積",刀軸選擇"插補(bǔ)"步進(jìn)方式采用"殘余波峰高度",殘余高度為0005 mm,選用直徑為20mm的球刀加工。用刀路變換命令加工其余流道曲面。 45 葉片底部圓角清根加工 同樣選擇類型"mill_multi_zxis"多軸銑加工操作建立模板,選擇"VARIABLE_CONTOUR"子類型變軸銑。幾何體選擇根部圓角部位,選擇驅(qū)動方式為"表面積",刀軸選擇"相對于驅(qū)動體"步進(jìn)方式采用數(shù)字控制模式,步數(shù)為15步,設(shè)置非切削移動參數(shù)傳遞連接選項(xiàng)區(qū)域之間"安全設(shè)置"為"球",半徑選擇200 mm,刀具使用R8的球刀,用刀具路徑變換命令加工其余葉片底部圓角。 46 機(jī)床模擬加工仿真 UG系統(tǒng)自帶有3種類型的五軸機(jī)床。本文選用其中的回轉(zhuǎn)/擺動型機(jī)床進(jìn)行虛擬仿真加工。擺頭旋轉(zhuǎn)軸是B軸,轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸是C軸。通過機(jī)床導(dǎo)航器調(diào)入機(jī)床組件和刀具組件。葉輪零件安放在轉(zhuǎn)臺上面即可進(jìn)行加工仿真。 5 結(jié)束語 本文利用UG NX60軟件對整體葉輪進(jìn)行了加工仿真,合理選擇了加工使用的刀具和機(jī)床,并針對流道和葉片的幾何特征確定了刀軸的控制方式,選擇了適當(dāng)?shù)牡毒哕壽E驅(qū)動方法進(jìn)行了流道和葉片加工軌跡生成。 文中介紹的對流道的加工采用刀具軸插補(bǔ)加工。這種方式可以通過在指定的點(diǎn)定義矢量方向來控制刀具軸,當(dāng)驅(qū)動或零件幾何體非常復(fù)雜,又沒有附加刀具軸控制幾何體時(shí),插補(bǔ) 具軸可以控制劇烈的刀具軸變化,調(diào)節(jié)刀軌,避免碰到障礙物。指定的矢量越多,對刀具軸的控制越多。使用這種方法時(shí),驅(qū)動幾何體引導(dǎo)刀具側(cè)刃,零件幾何體引導(dǎo)刀具底部,可以控制輸出很好的加工刀軌,加工出來的曲面質(zhì)量。 對于五軸加工來說,最難最重要的是避免發(fā)生干涉。本文對流道和底部圓角加工時(shí)對刀具的進(jìn)退刀進(jìn)行了控制,依據(jù)葉輪的特征,區(qū)域之間快速移動時(shí)以球的方式控制刀軸的移動,使刀軌變得更清晰,這樣不僅提高加工效率,而且使加工變得更加安全。燈飾選購布置 家居裝飾常識基于UG的膠印機(jī)滾筒間中心距分析應(yīng)用UG軟件對膠印機(jī)離合壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模與虛擬裝配。基于UG的運(yùn)動學(xué)模塊,講述了創(chuàng)建運(yùn)動仿真的過程。運(yùn)用運(yùn)動學(xué)模塊中的測量功能,給出一種分析滾筒間中心距的方法。 關(guān)鍵詞：膠印機(jī)； 離合壓機(jī)構(gòu)；運(yùn)動仿真；UG 引言 UG是集CADCAECAM 于一體、面向制造業(yè)的高端軟件,廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)、工程仿真和數(shù)字制造等領(lǐng)域。其運(yùn)動分析模塊<Scenario For Motion>可用于建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析,跟蹤零件的運(yùn)動軌跡,分析機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的位移、速度、加速度、力及力矩等。離合壓機(jī)構(gòu)是膠印機(jī)上完成圖像轉(zhuǎn)移、實(shí)現(xiàn)印刷工藝過程的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),其橡皮滾筒與印版滾筒中心距及橡皮滾筒與壓印滾筒中心距是重要的尺寸參數(shù),準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)和設(shè)定滾筒間中心距才能獲得理想的印刷壓力 。通常分析滾筒間中心距的方法有作圖法及計(jì)算機(jī)輔助編程法。由于在該機(jī)構(gòu)中存在諸多調(diào)節(jié)環(huán)節(jié),如支撐座滾輪的調(diào)節(jié)、擺桿機(jī)構(gòu)中撐牙的調(diào)節(jié)以及凸輪和軸承套的不規(guī)則外形,使得用上述方法進(jìn)行分析時(shí),計(jì)算及編程的工作量較大,給該機(jī)構(gòu)的分析帶來諸多不便。應(yīng)用UG軟件分析,若要了解零、部件處于不同位置時(shí)的參數(shù)值,只需改變裝配模型中零、部件的裝配尺寸,便會自動鏈接到運(yùn)動分析模型中,運(yùn)行運(yùn)動仿真,便可得到需要的結(jié)果。本文以某膠印機(jī)的機(jī)械"三點(diǎn)支撐式"離合壓機(jī)構(gòu)為例,應(yīng)用UG軟件對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真分析。 1 "三點(diǎn)支撐"式離合壓機(jī)構(gòu) "三點(diǎn)支撐式"離合壓機(jī)構(gòu)簡圖3 見圖1。其工作原理是通過改變橡皮滾筒12與印版滾筒13及橡皮滾筒與壓印滾筒1O間的中心距,實(shí)現(xiàn)滾筒間的分離與接觸。圖1中印版滾筒軸o 與壓印滾筒軸o。通過滾動軸承安裝于墻板孔中,滾筒軸的軸心位置保持不變。橡皮滾筒軸o,安裝于滾動軸承中,滾動軸承安裝于軸承套15的孔內(nèi),軸承套由兩個(gè)固定支撐座滾輪部件14、16及一個(gè)浮動支撐滾輪部件11支撐來確定其中心位置。由于軸承套的外輪廓設(shè)計(jì)成特殊的輪廓曲線,當(dāng)軸承套沿支撐滾輪轉(zhuǎn)動時(shí),使得橡皮滾筒軸軸心位置發(fā)生變化,起到改變滾筒間中心距的目的。合壓時(shí),合壓凸輪及連桿機(jī)構(gòu)帶動軸承套作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動,使橡皮滾筒依次與印版滾筒和壓印滾筒相接觸。離壓的過程則相反。由上述知,滾筒間中心距的改變主要由軸承套中心位置改變,使得安裝于其孔中的軸承及橡皮滾筒軸軸心位置發(fā)生變化。滾筒間中心距尺寸變化主要由軸承套外輪廓尺寸決定。當(dāng)需對機(jī)器進(jìn)行調(diào)試或當(dāng)印刷紙張厚度發(fā)生變化時(shí),還可通過轉(zhuǎn)動支撐座滾輪上的偏心軸來實(shí)現(xiàn)中心距的微調(diào)。圖2為支撐軸承套的支撐座滾輪部件結(jié)構(gòu)簡圖,該部件主要由偏心軸、滾輪座、滾輪及襯套組成。圖2中O1為偏心軸的轉(zhuǎn)動中心,O2為偏心軸與滾輪的配合中心,O3為偏心軸上標(biāo)識孔位置中心。滾輪座與墻板連接,轉(zhuǎn)動偏心軸,滾輪隨著偏心軸的轉(zhuǎn)動而改變位置,起到徑向調(diào)節(jié)的作用。設(shè)偏心距O1O2為a,則滾輪的徑向調(diào)節(jié)范圍為02a。2 離合壓機(jī)構(gòu)的零件建模與裝配 運(yùn)行UG軟件,進(jìn)入建模<Modeling>模塊,對零件進(jìn)行實(shí)體建模。該機(jī)構(gòu)中凸輪及軸承套的輪廓尺寸均為離散坐標(biāo)值,可先將零件的坐標(biāo)點(diǎn)生成數(shù)據(jù)文件,應(yīng)用SplineThrough pointsPoints from File指令,讀人數(shù)據(jù)文件,繪制輪廓線,通過Extrude等指令生成離、合壓凸輪及軸承套的零件圖。圖3為離壓凸輪的實(shí)體模型。構(gòu)建好零件實(shí)體模型后, 進(jìn)入裝配模塊<Assemblies>,對離合壓機(jī)構(gòu)的各零、部件進(jìn)行虛擬裝配,裝配模型見圖4。因?yàn)橐治鲋巫鶟L輪部件<圖1中14件、16件>中偏心軸位于不同位置時(shí)對滾筒間中心距的影響,對支撐座滾輪部件裝配時(shí)設(shè)定角度裝配參數(shù)。如圖2所示,設(shè)定滾輪座側(cè)面為基準(zhǔn)平面A,過偏心軸軸線方向且過圓心O1及圓心O3的面為基準(zhǔn)面B,裝配時(shí)對面A與面B設(shè)定角度配對參數(shù)。設(shè)定圖2中偏心方向遠(yuǎn)離A面最大位置處為0°,當(dāng)偏心軸1繞滾輪座2逆時(shí)針轉(zhuǎn)動時(shí)設(shè)定角度為正,則圖示偏心軸上標(biāo)識孔轉(zhuǎn)至O3'位置時(shí)角度為6O°,當(dāng)偏心位置02位于最下端時(shí),角度值為180°。 3 創(chuàng)建運(yùn)動仿真 對裝配主模型進(jìn)行簡化操作后,進(jìn)入運(yùn)動仿真模塊<Motion Simulation>。創(chuàng)建運(yùn)動仿真包括創(chuàng)建連桿、運(yùn)動副及定義運(yùn)動驅(qū)動等部分。 31 創(chuàng)建連桿 對線在線上副<Curve on Curve Joint>的相關(guān)零件<包括凸輪、凸輪從動件擺動滾子、軸承套、左上支撐座滾輪與左下支撐座滾輪>建構(gòu)輔助曲線,保證對應(yīng)曲線位置在裝配圖中共面,將建構(gòu)的曲線加入各自零件的引用集中<Reference Sets>。根據(jù)離合壓機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系,參見圖1所示零部件名稱,建立各連桿<Link>如下： <1>L001：合壓凸輪1及其輪廓建構(gòu)曲線。 <2>L002：擺桿3、合壓凸輪從動件擺動滾子建構(gòu)曲線、撐牙4。 <3>L003：擺臂7與棘爪5。 <4>L004：拉桿9。 <5>L005：軸承套15及其建構(gòu)曲線、橡皮滾筒12。 <6>L006：印版滾筒13、壓印滾筒1O。 32 定義運(yùn)動副、3D 接觸<3D Contact>與阻尼<Damper> 根據(jù)實(shí)際工作狀況定義運(yùn)動副如下： <1>J001：L001與地固定, 構(gòu)建旋轉(zhuǎn)副<Revolute>。 <2>J002：L002 與地固定, 構(gòu)建柱面副<Cylindrica1>。 <3>J003：L003 與地固定, 構(gòu)建旋轉(zhuǎn)副<Revolute>。 <4>J004：L003與L004建立萬向節(jié)運(yùn)動副<Universa1>。 <5>J005：L004與L005建立旋轉(zhuǎn)副<Revolute>。 <6>J006：L006與地固定,構(gòu)建滑動副<Slider>。 <7>J007：合壓凸輪1與從動件擺動滾子定義線在線上副<Curve on Curve>。 <8>j008：軸承套與左上支撐座滾輪定義線在線上副。 <9>J009：軸承套與左下支撐座滾輪定義線在線上副。 <10>G001： 撐牙與棘爪建構(gòu)3D 接觸<3DContact>。 <11>D001： 擺臂運(yùn)動副J003 定義阻尼<Damper>。 33 定義運(yùn)動驅(qū)動 <1>J00l的運(yùn)動驅(qū)動選擇恒速,速度設(shè)定為1<°>s。 <2>J009的運(yùn)動驅(qū)動選擇恒速,運(yùn)動參數(shù)皆設(shè)為0,此運(yùn)動副主要用來設(shè)定標(biāo)志點(diǎn)<Marker>。 4 滾筒間中心距分析 在橡皮滾筒、印版滾筒、壓印滾筒中心處建構(gòu)標(biāo)志點(diǎn)A001、A002、A003,進(jìn)人封裝選項(xiàng)<Packing Option>的測量功能,選最小距離<Minimum Distance>類型,設(shè)定測量Me001<橡皮滾筒與印版滾筒中心距>為標(biāo)志點(diǎn)A001與A002,MeO02<橡皮滾筒與壓印滾筒中心距>為A001與A003。運(yùn)行運(yùn)動仿真,設(shè)定Time與Steps均為360。仿真完成后點(diǎn)擊列出測量值<List Measurements>。所得數(shù)據(jù)繪制成圖形,見圖5<a>。由圖5<a>可知,當(dāng)合壓凸輪轉(zhuǎn)至237°時(shí),合壓動作完成,此時(shí)橡皮滾筒與印版滾筒間中心距Rr-p為220896mm,橡皮滾筒與壓印滾筒間中心距Rr-i為220908mm。上面的測量值是偏心軸上的偏心位置遠(yuǎn)離相應(yīng)滾筒時(shí)的值,即偏心位置為0°時(shí)的值。改變支撐座部件中偏心軸與滾輪座的裝配角為180°,滾輪位置隨之改變,重新執(zhí)行運(yùn)動仿真,相應(yīng)滾筒間的中心距值見圖5<b>。從圖中5<b>可知,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)至235°時(shí),合壓動作完成,橡皮滾筒與印版滾筒中心距為220872mm, 橡皮滾筒與壓印滾筒中心距為219126mm。如上所述,只需在裝配主模型中改變相應(yīng)零、部件的裝配參數(shù),便會自動鏈接到運(yùn)動主模型中運(yùn)行運(yùn)動仿真,從而得到相應(yīng)的值,這是其它幾種分析方法所無法比擬的。5 結(jié)論 應(yīng)用UG軟件對膠印機(jī)離合壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模,講述了運(yùn)動學(xué)仿真時(shí)連桿與運(yùn)動副的創(chuàng)建過程。利用UG 的運(yùn)動分析模塊對離合壓機(jī)構(gòu)的滾筒間中心距進(jìn)行分析,得到了需要的結(jié)果。與其它分析方法相比,具有簡單、直觀、工作量少、修改方便等特點(diǎn)。為此類機(jī)構(gòu)的分析提供了一種有效的方法。 基于UG NX6.0的整體葉輪的多軸加工技術(shù). .