UG―CAM高速加工工艺探导:基于ug的高速加工工艺设计

　　摘要:选择恰当的CAM软件、生成恰当的适合高速加工的数控加工程序是高速加工的关键。UG-CAM较高计算量的编程速度及防过切自动干涉检查、较好的进给优化处理功能、较丰富的高速加工工艺优化策略及丰富的轨迹规划方法、较好的残余跟踪功能(跟踪指定尺寸刀具以某种路径方式加工不到的剩余部分),超强的待加工轨迹监控功能,较好的拐角及尖角处理工艺,较好的减震功能、强大的插补功能、这些决定了UG-CAM较适合日渐兴起的高速加工工艺。
　　关键词:拐角减速 螺旋线加工 余摆线加工 NURBS插补 Z轴分层铣削 等高外型加工
　　中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)05-0000-00
　　
　　Study of UG-CAM High Speed Process Technology
　　Liu Jianyuan
　　(Machinery & Electric Department,Dongguan Nanbo Polytechnic,Dongguan523083,China)
　　Abstract:It is important for high Speed Machining to choose relevant CAM software and generate correct Numerical Machining Program which is profitable to high speed Machining.The UG-CAM high calculation measure speed, automatic interference check on avoiding over cutting, wonderfull feeding optimization capability, more abundant optimizing strategy of high speed , various kinds of toolpath planning method, UG-CAM can generate correct toolpath efficiently on the place where part can not be cut by former tool , super strongly supervision function of toolpath to be processed, preferable corner and sharp edge process technology, better Shock absorption function, powerful Interpolation property,all the above aspects determine the popularity of UG-CAM in the high speed Machining.
　　Key Words:Coner decelerate Helical machining Trchoidal machiningNurbs Interpolation Z-axis Layered millingZlevel_profile_milling
　　
　　引言
　　 使用CAM系统编程,一方面要选择合适的刀具、切削用量及加工参数;另一方面采用恰当的走刀方式(加工方法)也是数控编程的关键。而UG-CAM丰富多样的刀轨规划方法及适合高速加工的各种关键控制技术正逐渐随着高速加工在我国的兴起为人们所了解。
　　
　　1 UG-CAM较好的拐角处理工艺,可保持路径顺畅且自动加减速时减少震动
　　(1)圆滑的拐角与刀具路径拐角处理:通过Corner and Feed Rate Control对话框对刀轨的拐角处进行圆倒角、还可以用对话框中的Fillet选项来指定圆角半径。确保在拐角处形成光滑连续的圆弧过渡刀轨;可以通过设定Slowdowns的相关参数选项来指定拐角减速的相关参数。其中Length设置减速长度;slowdown设定减速比例;Corner Angle减速角度范围设置。这些设置都大大起到了减振的效果。
　　(2)高速切削加工的拐角加工工件为内锐角时,刀具路径可采用圆角或圆弧走刀,并相应减小进给速度,这样在加工拐角时可以得到光滑的刀具轨迹,并可保持连续的高进给速度及加工过程的平稳性,拐角的残余量可通过再加工工序去除。
　　
　　2 在竖直向的层间及较平坦曲面的步距间光滑过渡、保证持续切割最大限度减少振动
　　(1)UG-CAM在加工陡峭的外形时,通常采用zlevel轮廓铣,在垂直于刀具方向的平面切削层上沿着零件去除材料,在高速加工时,虽然可以用zlevel轮廓铣加工出来,但在层和层过渡时,刀具切削转向,而且垂直下刀会引起刀具振动加大,刀具易折断且加工表面质量不高,会出现明显的刀具痕迹,此时可采用曲面区域驱动,改分层切削法为螺旋切削法。这样刀具在加工过程中在被加工面上沿螺旋线切削,没有突然的层间过渡,从而减少振动。层间采用光滑的螺旋线过渡刀路轨迹如图2所示
　　(2)UG-CAM在加工较平坦的曲面时,通常用曲面驱域方式(Contour-area),该驱动方式通过指定曲面作为驱动几何体,这些驱动点沿着指定的投影矢量方向投影到零件表面上,以生成投影点,从而生成刀具轨迹,但在高速加工时,刀具轨迹图样无论选择跟随周边还是同心圆等,在步进时都容易产生刀具振动,这时如果加工的曲面比较简单接近于圆形,可采用固定轴轮廓铣Spiral(螺旋)的驱动方式,按Sprial Drive Method页签中对话框设定的步距生成曲面上的从中心点展开螺旋线驱动轨迹。步距间采用螺旋线光滑过渡刀路轨迹如图1所示。
　　
　　3 UG-CAM较好的进退刀处理工艺
　　 (1)圆滑过渡所有进刀、退刀、步距(stepover)和非切削运动(Non¬-cutting moves);在自动进刀/退刀运动,也就是平面铣,使用螺旋或斜式(Helical or Raming)的垂直进退刀运动;曲面轮廓铣使用切圆弧(tangent arc)的进退刀运动;Traverse运动设置为Smooth;通过将Corner and Feed Rate Control)对话框中的Fillet选项指定为All Passes来圆滑过渡拐角和步距。
　　 (2)高速切削的进退刀加工工艺、高速切削加工时、刀具切入工件的方式、不仅影响加工质量、同时也直接关系到加工的安全。刀具高速切削工件时、工件将对刀具产生一定的作用力。此外、刀具以全切深和满进给速度切入工件将会缩短刀具的寿命。通过较平缓的增加载荷,可以达到保护刀具的目地。刀具切入工件时应尽量沿轮廓切向切入的方式缓缓的增加切削载荷,并保持恒定的载荷,直线式切入和螺旋式切入,以保持刀具轨迹光滑平顺。斜线式和螺旋式切入方式适用于简单型腔的粗加工。加工表面质量和精度要求高的复杂曲面时,采用沿曲面的切矢量方向或螺旋式进退刀,这样刀具将不会在工件的进退刀处留下驻刀痕迹,从而获得高的表面加工质量。对于深腔件的加工,螺旋式切入是一种比较理想的进刀方式,采用相同或不同半径的螺旋路径,自内向外依次切除型腔材料。
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　　4 UG-CAM高速加工的重复加工方式
　　重复加工是对零件的残余量进行针对性加工的方法。在高速切削加工主要用于二次粗加工以及笔式铣削和残余铣削。
　　(1)采用二次粗加时,先进行初始粗加工,然后根据加工后的形状计算二次粗加工的加工余量。在等高线粗加工粗加工中,由于零件上存在斜面,加工后会在斜面上留下台阶,从而导致残留余量不均匀,并因此引起刀具载荷不均匀。采用二次粗加工时,可使用不同于初始粗加工方法(平行线法、螺旋线法等)以获得均匀的余量,这样可更有效地保持刀具进行连续切削,减少空走刀,并提高加工的效率。
　　(2)清根铣削(Flow-cut)主要应用于半精加工的清根操作(只在拐角处自动生成加工拐角的刀具路径),它通过找到前道工序大尺寸刀具加工残留部份的所有拐角和凹槽,自动驱动刀具与加工曲面相切,并沿其交线方向运动来加工这些拐角,清根铣削允许使用半径与3D拐角或凹槽相匹配的小尺寸刀具一次性完成所有的清根操作,可以极大的减少退刀次数。此外,清根铣削可以采用相对恒定的切削切除率,这对于高速切削加工特别重要。精加工带有壁面和底面的零件时,如果没有清根铣削,刀具到达拐角时,将要去除相当多的材料,采用清根铣削时,拐角已被预先进行清根处理,因此减少精加工拐角时刀具的偏斜和噪声。UG-CAM比较有特点的地方在于陡峭角(Angle)设定、最大凹角设定:设定后只在小于或等于指定的最大凹角的位置生成清根切削刀轨,(Max-Concavity)设定清根切削的最大凹角、(Multiple Offsets)设定走刀次数及偏移。
　　
　　5 UG-CAM适应高速切削加工的移刀工艺
　　高速切削加工的移刀工艺是指在高进给速度时,相邻刀具路径间有效过渡的连接方式。平行线扫描加工是精加工复杂型面的一种手段。但是这种方法容易在每条刀具路径的未端造成进给量的突然变化。在扫描路径之间采用简单的环型刀具路径可以适当缓解拐角处进给量的变化。但是,进给速度较高时,这种简单的环型运动仍然太突然。在这种情况下,UG¬-CAM在扫描路径间采用“高尔夫球棒”式移刀则更为有效。
　　
　　6 UG-CAM高速切削加工的余摆线式切削加工工艺
　　余摆线加工是利用高速切削加工刀具侧刃去余材料来提高粗加工速度的新技术。采用余摆线加工时,刀具始终沿着具有连续半径的曲线运动。采用圆弧运动方式逐次切削材料,对零件表面进行高速小切深加工。有效的避免了以全宽度切入工件生成刀具路径。每环圆弧运动中,向前运动时刀具切削工件,向后运动时进行刀具冷却,并允许自由切削材料。当加工高硬度材料或采用较大切削用量时,刀具路径中刀具向后运动的冷却或自由去除材料圆弧段与向前运动加工的圆弧段相平衡,实现了刀具切削条件的优化。此外,余摆线加工的刀具路径全部由圆弧运动组成,走刀方向上没有突然的变化,是有利于实现高速切削加工的粗、精加工的一种理想状况。所以,余摆线加工特别适用于加工高硬度材料和高速加工的各种粗加工工序(比如腔体加工),不仅能够使机床在整个加工过程中保持连续的进给速度,获得高的材料去除率,并且可延长刀具寿命。
　　
　　7 UG-CAM强大的高速高精度控制技术,这些关键控技术包括残余分析,待加工轨迹监控,自动防过切保护,尖点控制、高精度轮廓控制技术,NURBS插补输出等。
　　(1)加工残余分析:加工残余分析功能可以分析功能可以分析出每次切削后加工残余的准确位置,允许刀具创建在上道工序中工件材料没有完全去除的区域。后续加工的刀具路径可在前道工序刀具路径的基础上利用加工残余分析进行优化得到,通过对工件某些复杂部位(如曲面相交处的圆角)进行加工残余分析,可尽量保持稳定的切削参数,包括保持切削厚度,进给量和切削线速度的一致性。当遇到背吃刀量有增加时,就可以降低进给速度,从而避免负载变化引起刀具偏斜以及降低加工精度和表面质量。因此加工残余分析可实现高速切削加工参数的最佳化,使刀具走刀路适应工件余量的变化,减少加工时间,避免刀具破损及过切和残留现象,从而实现刀具路径的优化。
　　(2)待加工轨迹监控:待加工轨迹监控功能是用于监控刀具路径中由于路径曲率引起的进给速度引起的不规则过渡,以及轴向加速过大等不利于高速切削加工的各种加工条件的变化,实现动态调节进给速度的一种控制方法。CNC控制系统在进行加工控制时通过扫描待加工程序的数控代码,预览刀具路径上是否有方向变化,并相应的调节进给速度。比如,在高速给速度下,待加工轨迹监控功能监测到拐角时,将自动减小进给速度,以防止刀具过切或或出现残留现象。在加工轨迹的平滑段,再将进给速度迅速提高到最大,就这样通过动态调节进给速度,可以优化机床控制系统的动态性能,并获得最高的加工精度和表面质量。
　　(3)尖点控制:高速加工控制器待加工轨迹监控功能虽然可以预先了解待刀加工段NC程序的刀具轨迹,预览刀具轨迹及其走刀方向是否有变化,即是否存在拐角,但对于3D零件上的每个具体的走刀步距和切削余量是无法预知的,加工复杂的3D型面时,可根据尖点高度来计算NC精加工刀具路径的加工步距,而不是采用恒定的加工步距。
　　(4)防过切处理:高速切削加工时,前道工序遗留的余量将会导致刀具切削负载突然加大,甚至出现刀具过切或破损现象。过切对于工件的损坏是不可修复的,对于刀具的破坏也是灾难性的。通过自动防过切处理功能,可以在切削过程中保护刀具,实现高速加工的安全操作。
　　
　　8 UG-CAM科学合理的Z轴分层铣削
　　 (1)在较浅区域的Z层自动添加中间刀具路径,使半精加工的坯料深度保持恒定不变,确保精加工操作中的均匀切割。粗加工快速去除工件材料时这一点是必须的。在加工陡峭度基本一致的曲面时,采用相同的层间切削深度,确保加工效率及较好的表面质量。
　　(2)在型腔铣(Cavity-mill)粗加工刀具路径中在不同的加工深度范围内针对零件不同部位的陡峭度可使用不同的Z轴的下刀量,点击Cut-levels按钮进行相关参数设置及层的设定:Rang Depth表示加工层的范围深度;Local Depth per Cut表示某一局部层内的下刀量。这样能较好的保证工件上较平坦的区域及较陡峭的区域的加工余量基本均匀,有利于半精加工及精加工同时也保证了较高的编程效率。同样在等高外型(Zlevel-Profile)粗精加工程序当中也可以在不同层的深度范围内指定不同的局部下刀量,确保加工效果。这是其它多数CAM软件不具备的。UG-CAM不同的层用不同的下刀量刀路轨迹如图3所示。
　　
　　9 结语
　　上述是UG-CAM较为显著的适合于高速加工的特征。UG-CAM的这些适合于高速加工的特点是在数控加工实践中得到应用及检验的。UG-CAM高速加工是先进适用的加工技术,具有强大的生命力和广阔的应用前景。
　　
　　参考文献
　　[1] 王卫兵.UG NX数控编程实用教程.清华大学出版社,2004.
　　[2] 刘战强,黄传真,郭培全.先进切削加工技术及应用.机械工业出版社,2006.
　　[3] 李春雄.数控加工工艺与编程.化学工业出版社,2004.
　　[4] 艾兴等.高速切削加工技术.国防工业业版社,2003.
　　[5] Unigraphics Solutions Inc.著,谢国明,曾向阳,王学平 编译.UGCAM实用教程.清华大学出版社,2003.
　　
　　作者简介:
　　刘建元(1974 -),男,汉族,四川省仁寿县人,工程师、讲师,受聘高级工程师2年,1999年毕业于
　　重庆大学,多年一线实际从事机械模具的计算机辅助设计与计算辅助制造工作,5年相关教学经历,丰
　　富的数控加工编程经验。
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