基于NX CAM的數(shù)控工藝與機床仿真分析

汪凱 李曉光 楊全軍

摘 要：為解決復雜零件數(shù)控加工手動編程效率低、可靠性差等問題，現(xiàn)提出采用UG NX軟件進行三維設(shè)計、數(shù)控工藝制定、模擬仿真，在此基礎(chǔ)上將NX CAM后處理過的G代碼導入數(shù)控設(shè)備，進行加工特型曲面的方法。通過試驗件的檢測分析，發(fā)現(xiàn)該方法具有一定的合理性和準確性，能夠有效提高零件的加工效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控工藝；NX CAM；仿真；檢測

中圖分類號：TH162 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0005-04

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency and low reliability of manual programming for computer numerical control （CNC） machining of complex parts， this paper puts forward the use of UG NX software for 3D design， CNC process formulation and simulation. On the basis of this， the post-processing G code of NX CAM is imported into the CNC equipment to process the special curved surface. It is found that this method has certain rationality and accuracy， and can effectively improve the machining efficiency of the parts through the testing and analysis of the test pieces.

Keywords： computer numerical control （CNC） process； NX CAM； simulation； detection

序言

數(shù)控加工具有高效率、高精度等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于機械加工領(lǐng)域。目前，許多學者針對數(shù)控加工的切削參數(shù)優(yōu)化、工藝路線規(guī)劃、刀具路徑規(guī)劃等都做過不少研究。本文從數(shù)控設(shè)備操作者的角度出發(fā)，提出采用UG NX軟件進行三維設(shè)計、模擬仿真，以解決復雜零件數(shù)控加工手動編程效率低、可靠性差等問題。

UG NX軟件是集產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝路線優(yōu)化、程序輸出于一體的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，具有高效能的機械設(shè)計和制圖功能，且生成代碼交互性好，可通過其后處理構(gòu)造器定制化與設(shè)備實現(xiàn)無縫對接，進而有效提高加工效率。

本文以一個具有一般球面外形、型腔結(jié)構(gòu)的零件為例，詳細介紹了代碼生成及實物加工制造過程，并對零件的尺寸、形位公差等進行了測量。結(jié)果表明，該零件各項參數(shù)均符合圖紙要求，該方法在生產(chǎn)實踐中具有一定的應(yīng)用意義。

1 實體造型及數(shù)控工藝

常規(guī)的機加車間加工的零件具有結(jié)構(gòu)復雜、種類多的特點，且大多屬于單件小批生產(chǎn)。目前，操作者主要采用手動編寫G代碼的方式進行加工，該方法存在效率低、可靠性差等問題，利用UG NX軟件CAM技術(shù)進行自動編程并快速輸出設(shè)備所需的數(shù)控程序可有效解決這一問題。

1.1 實體造型

如圖1所示，該零件為連接塊，它具有螺紋孔、球面、型腔等結(jié)構(gòu)，整體加工難度適中[1]。通過UG NX進行三維設(shè)計，零件實體造型如圖2所示，進入UG NX的CAM模塊，利用UG NX的后處理構(gòu)造器定制MAZAK四軸機床的控制系統(tǒng)，可生成準確控制MAZAK_PFH_4800的G代碼。

1.2 工藝分析

該連接塊由六個面組成，前、左側(cè)表面分別包含半球與型腔，另外四個均為平面，粗糙度要求Ra3.2。其中，半球與型腔是加工難點，基于生產(chǎn)車間實際情況，特采用以下加工方案：

零件毛坯為150mm×120mm×120mm的方料，將其裝夾到PFH_4800臥式加工中心工作臺上，先銑削四個工作平面，后加工型腔與半球平面；通過NX生成的數(shù)控程序，依次完成型腔、半球的銑削，最后鉆孔、攻螺紋，以實現(xiàn)零件成型加工。

1.3 數(shù)控工藝的制定

該連接塊零件的切削加工為了達到較高的表面質(zhì)量和形位公差要求，毛坯加工至零件采取三次定位裝夾，先使用銑刀完成連接塊六個表面的加工，然后使用鉆頭進行預鉆孔的加工，再使用平頭銑粗銑型腔、半球面，最后使用球頭銑刀將連接塊加工至滿足圖紙要求。零件整體的加工思路是粗加工→半精加工→精加工[2]，具體的加工工序分析如下：

粗銑、半精銑毛坯表面：單次走刀銑平面，工作臺分度旋轉(zhuǎn)90°，即可完成側(cè)面四個待加工面的銑削加工，刀具路徑采用平行加工，平面度可以得到一定程度的控制。

預鉆盲孔：主要是通過鉆、精銑的工步加工成φ30孔，采用的是環(huán)繞等距加工方法，設(shè)定使用U鉆，大幅降低盲孔底部錐度，滿足零件使用要求[3]。

型腔：主要是通過粗銑型腔側(cè)壁、精銑型腔底面的工步加工Ra3.2。

半球面的銑削：主要是通過粗銑、半精銑與精銑達到表面質(zhì)量要求，分別采用了型腔銑、深度加工輪廓銑與固定輪廓銑的刀軌生成方式。

螺紋孔：先鉆成四個螺紋底孔，倒角完成后，開始攻絲，走刀時選擇周邊路徑，避免出現(xiàn)鉆孔過程中出現(xiàn)干涉半球面的情況。

結(jié)合以上的數(shù)控工藝分析，最終確定切削參數(shù)如表1所示的加工工藝。

2 機床構(gòu)造及加工仿真

基于UG NX軟件，建立PFH_4800機床數(shù)字化樣機、組合夾具元件與刀具，以模擬實際工況，從而實現(xiàn)組合夾具裝夾、碰撞檢測仿真、工時定額。

2.1 建立仿真結(jié)構(gòu)Mazak_PFH_4800

首先在UG NX軟件源文件resource目錄下建立文件夾PFH_4800，然后在該目錄下建立三個子文件夾，分別用于存放機床模型、后置處理文件與機床控制文件。在此基礎(chǔ)上新建PFH_4800.dat，使用文本編輯器編制調(diào)用機床文件的指令，內(nèi)容如下：

Mazak_PFH_4800，${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLE

D_MACHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_

PFH_4800_Post.tcl，

${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MACHINES_DI

R}Mazak_PFH_4800＼postprocessor＼Mazak_PFH_4800_Post.D

EFCSE_FILES， ${UGII_CAM_LIBRARY_INSTALLED_MA

CHINES_DIR}Mazak_PFH_4800＼cse_driver＼Mazak_PFH_480

0.MCF

2.2 建立機床運動學關(guān)系模型

在UG NX軟件中打開機床構(gòu)造器，將機床名稱修改為PFH_4800_1，開始建立機床組件，在機床PFH_4800_1上右鍵→插入→機座組件，過濾器選擇為組件，將不參與運動的機床組件都選擇為機座組件幾何體，機床零點定義在主軸端面，在MACHINE_BASE下依次插入機床組件。

建立完成后，需要進行初步的軸定義檢驗，在機床導航器空白處右鍵→預覽運動→顯示機床軸位置，拖動各軸的拖動條，觀察各軸運動情況是否正確，如需修改，選擇編輯軸的功能進行編輯。

軸的運動關(guān)系建立完成后，配置通道，將所有未指派的軸添加到通道中，然后指定主軸和各幾何軸，建立完成機床的運動學關(guān)系模型，如圖6所示，為配置器完成后的結(jié)果。

2.3 機床仿真操作

在工序?qū)Ш狡骺瞻滋幱益I點擊機床視圖，切換到機床視圖，從庫中調(diào)入機床，庫類選擇為MILL，選擇PFH_4800，通過采用裝配約束定位，使用組合夾具將零件裝夾到工作臺上。如圖7所示，方料通過壓板和墊塊，在工作臺上進行裝夾。

在工序?qū)Ш狡髦校诜抡婵刂泼姘逯羞x中顯示3D除料、顯示刀軌，選擇機床代碼仿真模式查看仿真過程。仿真完成后，關(guān)閉仿真控制面板。

3 零件檢測

通過以上數(shù)控工藝的選擇，采用試切法獲得較好的加工參數(shù)，最終完成兩個主要工作面的加工，零件完工后的實際效果如圖8所示。

在零件加工圖紙中，型腔底面要求Ra1.6，半球面SR20（+0.1，0）。試驗件加工完成后，使用表面/輪廓綜合測量儀對連接塊型腔底面進行粗糙度測量，其Ra = 1.5199μm；使用三坐標測量儀可以測得試驗加工的零件半球面SR=20.0751mm；均滿足圖紙中對零件質(zhì)量的技術(shù)與尺寸要求。綜合檢查該零件，無明顯接刀痕，零件加工質(zhì)量較好。

4 結(jié)束語

本文針對具有規(guī)律曲面外形的零件，通過UG NX軟件進行工藝分析、零件建模、定制后處理、制定數(shù)控工藝并制作加工仿真，使用后處理生成的NC程序進行生產(chǎn)加工，在PFH_4800四軸臥加上完成實體加工。這是為了生產(chǎn)車間一線實施的數(shù)字化樣機項目所做的前期測試階段，UG NX CAM編程結(jié)合產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)PLM、車間生產(chǎn)一線管理系統(tǒng)MES可以實現(xiàn)統(tǒng)一進行上傳、校核、分發(fā)數(shù)控程序。仿真結(jié)果證明，開展數(shù)控機床設(shè)備建模、零部件加工仿真并進行生產(chǎn)制造是可行的，可將該方法推廣到一般的車間生產(chǎn)實踐中。這對于具有復雜曲面零件的加工和量產(chǎn)具有一定指導意義。

參考文獻：

[1]劉明.基于UG軟件的機械制圖課程虛擬化教學[J].遼寧師專學報（自然科學版）.2017，1.

[2]念勇，張榮，黃恒，等.基于四軸機床的手機實體建模與加工[J].金屬加工（冷加工），2013（3）：69-71.

[3]徐昌鴻，張樹生，黃波，面向數(shù)控工藝重用的三維CAD模型局部結(jié)構(gòu)檢索，[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2017，8.