動車組軸箱體機(jī)加工仿真驗(yàn)證的應(yīng)用研究

賈廣躍，宋福田，管益輝

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

為推進(jìn)中國制造2025[1]，工信部2016年組織實(shí)施了“智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用”系列項(xiàng)目，高鐵作為國家名片，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司承擔(dān)了“高速動車組關(guān)鍵零部件智能制造新模式應(yīng)用項(xiàng)目”的實(shí)施。轉(zhuǎn)向架是時(shí)速350 km動車組的走行部分，軸箱體是轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，其內(nèi)孔與軸承配合，連接構(gòu)架和輪對，在承受列車質(zhì)量的同時(shí)，給列車傳遞動力。目前軸箱體數(shù)控編程仍然依靠手動進(jìn)行，手工編程效率低，無法進(jìn)行有效的仿真驗(yàn)證，數(shù)控程序調(diào)試需要在現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。因手工編程質(zhì)量不能保證，在程序調(diào)試過程中，輕則損壞工件、刀具，重則導(dǎo)致設(shè)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(diào)試時(shí)間長、設(shè)備安全性差等棘手問題。此外，由于加工中心、四軸、五軸設(shè)備程序的復(fù)雜性，手工無法編制出復(fù)雜的程序，數(shù)控設(shè)備得不到有效利用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAM編程軟件逐漸走向成熟，掌握成熟的CAM軟件，設(shè)計(jì)可靠的數(shù)控程序，有效利用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證技術(shù)已成為工藝人員必須掌握的核心技術(shù)。

1　加工仿真驗(yàn)證環(huán)境構(gòu)建和軟件工具

機(jī)加工數(shù)控程序設(shè)計(jì)、數(shù)控程序仿真驗(yàn)證和產(chǎn)品、設(shè)備、夾具、刀具三維模型設(shè)計(jì)可利用現(xiàn)有的較為成熟的商業(yè)軟件構(gòu)建。目前主流 CAM平臺已基本完整地涵蓋機(jī)加工數(shù)控程序設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)，提高數(shù)控編程的標(biāo)準(zhǔn)化水平。利用CAM的仿真解決方案和G代碼驅(qū)動的真實(shí)仿真引擎，極大簡化數(shù)控程序檢查的過程，提高程序的準(zhǔn)確度和可靠性，提高數(shù)控程序的安全性。 產(chǎn)品、設(shè)備、夾具、刀具可以使用成熟的三維CAD軟件CATIA、PROE、NX等設(shè)計(jì)。一個(gè)典型的由三維CAD軟件設(shè)計(jì)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(jī)加工仿真驗(yàn)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(shè)計(jì)后，有兩種方式轉(zhuǎn)化為NX CAM所需的模型。一種是采用三維CAD軟件轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊，直接轉(zhuǎn)換PROE或CATIA三維模型為NX CAM所需模型。通過在幾何質(zhì)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(shè)備為4軸聯(lián)動臥式加工中心，設(shè)備三維模型采用修改標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證要求。

圖2　軸箱體數(shù)據(jù)檢查

2.2　數(shù)控程序設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

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

(1)在工藝設(shè)計(jì)平臺環(huán)境TCM中，把數(shù)控加工的零件發(fā)送到TCM工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中，使用規(guī)范的工藝設(shè)計(jì)模板創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化數(shù)控工藝[4]。軸箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸箱體除上、下、前、后、左、右周身加工外，軸承孔加工也較復(fù)雜。采用可旋轉(zhuǎn)工作臺的4軸聯(lián)動臥式加工中心，設(shè)計(jì)2個(gè)工序，第一工序的夾具設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)詳細(xì)的三維模型有助于后續(xù)仿真驗(yàn)證的安全性檢查，尤其應(yīng)用于空間干涉碰撞檢查。

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

(4)定義軸箱體毛坯，采用NX CAM同步建模技術(shù)，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(shè)置每個(gè)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)行平面銑削。再進(jìn)行型腔銑，最后進(jìn)行鉆孔、倒角和攻螺紋。

(7)設(shè)置刀具切削參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速、切削進(jìn)給、切削液控制。程序參數(shù)設(shè)置包括對進(jìn)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(zhì)量，平面輪廓銑削加工可以采用往復(fù)走刀行切，對于軸箱體彈簧面必須采用螺旋進(jìn)給方式，避免往復(fù)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(fù)走刀方式。設(shè)置刀具的安全退刀距離為φ800，完成每個(gè)工步后，退刀至安全距離，再進(jìn)行下一工步的切削，充分保證加工設(shè)備的安全性。

(8)自動產(chǎn)生刀具軌跡。在完成參數(shù)設(shè)置后，即可將設(shè)置結(jié)果提交給NX CAM系統(tǒng)進(jìn)行刀軌的計(jì)算，自動產(chǎn)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(shè)置的工藝參數(shù)，結(jié)合數(shù)控機(jī)床的性能及其所要求的數(shù)控程序格式[8]，生成該機(jī)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(yàn)證。為確保數(shù)控程序的安全性，必須對生成的刀軌進(jìn)行檢查校驗(yàn)，檢查有無明顯刀具路徑錯(cuò)誤、有無過切或者加工不到位，同時(shí)檢查是否會發(fā)生與工件及夾具的干涉。實(shí)時(shí)對切削過程進(jìn)行仿真驗(yàn)證[10]。檢查工件、設(shè)備主軸、夾具狀態(tài)，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)過切、碰撞、超限程等問題，從而提早糾正錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)事前管理。在三維設(shè)計(jì)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(shè)備切削效率。對仿真驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)問題的程序，應(yīng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置重新進(jìn)行計(jì)算，重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證，軸箱體仿真驗(yàn)證界面如圖5所示。

圖5　軸箱體機(jī)加工仿真驗(yàn)證界面

3　數(shù)控文檔管理

NX CAM 數(shù)控設(shè)計(jì)過程中所需要的產(chǎn)品三維模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、刀具、機(jī)床、切削參數(shù)、模板等都從

工藝設(shè)計(jì)平臺TCM系統(tǒng)中獲得，而NX CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的各種輸出文件，如NC程序、刀軌源文件、仿真驗(yàn)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(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4　結(jié)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(shè)計(jì)與管理研究，定義了企業(yè)內(nèi)部的相關(guān)管理制度，規(guī)范了模型準(zhǔn)備、刀軌創(chuàng)建、后處理及工藝文檔輸出的整個(gè)過程。實(shí)踐證明，采用結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)規(guī)范，提高機(jī)加工數(shù)控編程效率，縮短在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試時(shí)間，提高數(shù)控編程的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]周濟(jì).智能制造—“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機(jī)械工程,2015(17):2273-2284.

[2]張蓓,高峰,朱沁.船舶設(shè)計(jì)制造中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國船舶，2009，50(3)：151-157.

[3]唐秀梅，李海泳，劉其榮.基于NX CAM智能化編程技術(shù)實(shí)施應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2013(10):82-84.

[4]王華僑.UG/NX/CAM數(shù)控銑削加工編程的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].模具制造,2004(7):13-17.

[5]孫慧,徐麗娜.基于UG NX7.5的軸類零件數(shù)控加工[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2012(4):129-132.

[6]田富君，張紅旗，陳帝江，等.基于Teamcenter的數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)研究[J].制造業(yè)自動化,2013(13):7-9.

[7]范希營,郭永環(huán).基于UG/NX/CAM的復(fù)雜型腔的實(shí)體造型及銑削加工[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009(10):150-152.

[8]笪謙.基于UG數(shù)控加工的應(yīng)用[J].中國機(jī)械,2015(7):184-186.

[9]艾建軍,劉建敏,許東太.五軸數(shù)控加工中心UG NX后處理研究[J].煤礦機(jī)械,2010，31(2):198-200.

[10]青春,李強(qiáng),其木格.基于UG的數(shù)控編程及加工過程仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(8):20-23.