【资料】UG软件在MF Twin65车削中心上的加工应用

双子星

一、 引  言
    近两年UGⅡ软件的引进，为笔者单位开辟了一种新的设计、加工途径，并使我所的机械制造能力上了一个新的台阶。以往对于一般零件加工时，采用手工编程即可完成，但对于较为复杂的型腔或曲面，由于计算繁琐，易产生错误从而影响加工质量，给机械加工带来一定的困难。针对一典型零件的特点，我们运用UG软件的加工模块，完成了加工过程的设计(包括加工类型，加工几何，加工刀具选择，加工余量及切削参数等其它加工参数)，并通过加工仿真软件对加工过程进行检验，对不恰当的加工参数进行适当修正，针对MF Twin 65数控机床完成了后置处理制作，生成了可加工的数控程序，经过对零件样品的实际加工，达到了设计图纸的要求，采用这种方法不仅减少了编程人员的计算量，还在一定程度上提高了产品的制造质量和生产效率。
  
二、机床简介
   加工所选用的数控机床是我所于1997年从德国德马吉(Deckel  Maho  Gildemeister)公司引进的MF  Twin  65机床，这是一台具有双主轴双刀架的车削中心，它最主要的特点是具有两个中心对心的主轴，称为主主轴和副主轴，这两个主轴可同步实现工件在两主轴间的自动传递，同时它还具有上下两个刀盘，均配有12个刀位，既可与两主轴分开、交叉使用，也能实现与两主轴的联合使用。其中上刀盘带有y轴，可实现y方向运动，完成铣削，因此可加工复杂零件。
针对这台数控机床双主轴双刀架的加工特点，我们确定选用一典型零件进行加工，在加工过程中我们使用了两个主轴和两个刀架，并完成两主轴间的工件自动传递，同时也实现了上刀盘的y轴铣削功能。为了达到对此台设备使用功能的最大利用，我们在加工这个零件过程中选用了大多数在这台机床上能够使用的加工功能，
三、CAM设计
运用UG软件完成CAM设计的主要步骤分为以下几步：
(1) 根据零件图实施三维造型；
(2) 根据零件的几何形状及尺寸精度要求确定加工工艺；
(3) 编制刀轨文件；(定义加工几何、加工刀具和其它加工参数后，经过计算生成加工刀轨)；
(4) 运用Vericut软件对有关的刀轨文件进行模拟加工，根据模拟结果，及时调整加工参数，并最终确定刀轨源文件；
(5) 将刀轨源文件进行后处理，生成标准PTP文件；
(6) 对PTP文件进行适当的编辑；
(7) 程序输入机床加工。
图1   典型零件模型
我们首先根据典型零件的设计图纸，运用UG的实体建模部分建立零件的三维实体模型，然后针对该零件的具体形状和尺寸进行工艺分析，由于零件一次加工的内孔较深，无法实现上刀架与主主轴的组合，且零件右部在完成加工后较易于夹持，于是我们确定了两主轴与两刀架交叉使用并先加工零件右部后加工零件左部的总工艺路线，然后对数控加工工序进行了具体安排。
(1)  镗零件内孔，其中包括螺纹底孔，采用精车方式(lathe  finish)。
(2)  加工退刀槽及内环形槽，采用车槽方式(lathe  groove)。
(3)  挑内螺纹M52×1－6H，采用车螺纹方式(lathe  thread)。
(4)  粗加工外圆部分，留精加工余量0.2mm，采用粗车方式(lathe  rough)。
(5)  精车外圆部分，由于是45号钢材料，所以0.2mm的余量分两次走刀完成，采用精车方式(lathe  finish)。
(6)  加工外圆环形槽，采用车槽方式(lathe  groove)。
(完成此工序后，将零件由主主轴传递至副主轴)
(7)  加工端面环形槽，在槽的两侧留0.05mm的精加工余量，采用车槽方式(lathe  groove)。
(8)  粗车零件左端带锥度外圆，留0.2mm的精加工余量，采用粗车方式(lathe  rough)。
(9)  精车零件左端带锥度外圆，采用精车方式(lathe  finish)。
(10)加工外圆环形槽，采用车槽方式(lathe  groove)。
(11)铣两个缺口，采用固定轴铣方式(fixed  contour)。
根据以上工序安排，我们应用UG的manufacturing模块逐项定义操作，其中包括加工边界，安全边界，刀具控制，进给率，进刀退刀方式，加工余量，走刀次数，前后置命令等内容，最后生成了包含各项加工数据的.cls文件（刀具位置源文件）。
  
四、 加工仿真研究
本应用研究中使用的vericut(加工仿真)软件可以交互式地模拟演示材料按数控刀轨数据被去除的过程，整个模拟加工过程在计算机上完成，这是在加工前对所作的刀轨文件进行验证的一个极好工具。使用vericut软件可以检验刀具轨迹的准确性并确定所模拟加工完成的零件与原设计模型是否一致，这样就可以大大减少切削过程失误并易于对刀轨文件进行快速正确的调整。
1． 仿真过程
使用vericut进行仿真需要具备三个必要条件，即毛坯模型、刀具轨迹数据和切削刀具的描述，我们按以下步骤进行准备。
(1) 在UG中按加工零件的毛坯尺寸做一个毛坯模型，并将其保存为vericut可以直接调用的.stl文件。
(2) 刀具轨迹数据就是通过UG的manufacturing模块设计生成的.cls文件(刀具位置源文件)。
(3) 在CAM设计部分中有专门的刀具控制，其中在前述各项加工步骤中我们均设定了各自的刀具参数，这些参数均是包含在.cls文件内容中的。
    这三个必要条件准备好之后，我们开始使用vericut进行仿真加工。首先将定义的毛坯模型装载到计算机屏幕中→选定我们所需的.cls文件，设定好各项显示参数，即可开始毛坯模型的三维仿真加工过程，观察刀具轨迹的准确性→测量模拟加工完成的零件的各项参数，与原设计模型进行比较，数据是否一致。
2． 仿真过程中出现的问题
无法完成一个刀具轨迹文件中的车铣仿真加工：发现是因为车削加工和铣削加工的加工坐标系不同所致，于是我们对CAM部分进行了改进，将车削和铣削加工的加工坐标系一致，于是实现了在一个刀轨文件中的车、铣仿真。
    无法实现车槽和车螺纹的仿真加工：此零件有三个环形槽和一个螺纹加工，但在进行加工仿真时均未仿真出来，分析是由于刀具控制的问题。
  
发现粗车外圆中切削深度过大，有空走刀的现象，在观察加工过程时发现粗车加工时一次切削1.5mm (半径方向)的切削深度过大，出现空走刀的现象，这样不但容易产生刀具的磨损，而且还影响加工件的表面质量，于是及时将切削深度调整为1mm（半径方向)，这样使切削参数更为合理并减少了加工的困难。
     图2   典型零件模型
图3  毛坯仿真加工后的模型
五、后置处理部分
我们在运用UG软件完成加工方面遇到的最大困难就是它的制造模块与数控机床之间无法做到有机结合，因为每台数控机床的数控系统不同，必须针对具体机床作出不同的后置处理才能将UG生成的机床文件转化为数控机床可执行的程序文件。而MF Twin  65机床所采用的数控系统是西门子840C。完成机床后置处理部分共有14项主菜单，其中影响加工的是前五个选项，我们根据各类菜单逐级、逐条地定义了机床类型、轴的有效性、预备代码和辅助代码定义以及机床刀具控制和后置处理命令。
1.机床类型
我们考虑了两个确定机床类型的方案，一个是对车削和铣削独立完成后置部分，然后组合使用，这个方案将车、铣分开，后置部分制作比较方便，但需组合使用，比较繁琐。第二个是用加工中心将车削和铣削方式同时设定进去。这个方案是车、铣功能在一个文件中完成的，后置部分内容较多，制作复杂，但使用起来较为方便。经过对比，我们决定采用第二次方案即将机床类型定义为加工中心。
2.轴的有效性
在这部分主要确定车、铣模式是否用M、G代码方式输出以及加工中心的铣方式坐标系的采用方式以及如何对车、铣的加工方式进行区分。
3.预备代码和辅助代码定义
    在这个部分中设定M和G代码格式，每一个块中G代码的数量，用户可定义文字输入的内容，这些选项使生成的程序能够符合数控系统识别的格式。
4.刀具控制
    这个选项是设定G代码来控制运动，需要根据机床不同的G代码含义进行设定。
5.后置处理命令
    它允许设定如何输出我们在.cls文件中的后置命令，你可以控制命令的有效性，它的格式等，主要将机床常用的40个后置命令逐一列出，这些都是根据数控机床系统手册一一设定进去，最后生成了该机床的后置处理文件mf65.mdfa。
两主轴间工件的自动传递程序是通过制作一个CAM模板文件来解决的：
    UG软件有标准的M 代码和G代码后处理程序，MF Twin  65机床由于是可以看作有4个主轴，2个刀架，所以它不仅有通用的一个数控指令，还有许多该机床特有的指令代码，这些指令不是刀轨数据文件，而是属于加工的前置命令，主要控制主轴运动，冷却液的开关，刀架的运动方式等，而这个接活部分程序通过实际加工，基本上形成了一个固定的格式，只需到时直接应用即可，但在后置处理部分却无法把这么一个约25句的程序添加进去，于是我们尝试使用在CAM设计部分制作模板文件的方式。
(1) 我们在CAM设计时，将这个固定的接活程序用用户自定义的方式定义到operation的前置命令中去；
(2) 将含有该operation的.prt文件保存到UG的mach子目录下；
(3) 打开一个模板集文件.opt，将保存的.prt文件定义为UG的标准CAM模板文件即可。
使用时只要在operation  manager窗口中，直接选择设定好的模板文件，根据不同的加工零件选择不同的加工边界和刀具参数即可，这种方法不仅可以解决有类似固定模块程序的问题，还可以将一些典型零件的典型操作也作成类似的模板文件，到时直接调用。在这次CAM设计，我们将平端面，粗车外圆，精车外圆，挑螺纹均做成模板文件，今后对一批材料接近，形状相似的同一类零件进行编程时，利用这些模块可以大量地节约时间。
六、数控加工过程
我们将应用UGⅡ软件生成的数控程序传入机床进行试加工，整个程序的加工过程较为顺利，没有因为程序原因发生错误，首件试加工后测量各加工尺寸，发现由于对刀误差，导致刀具补偿数据有一些偏差，造成个别尺寸略微超差，其余尺寸和表面光洁度情况较为理想，在调整了部分刀具补偿数据后又进行了加工，加工出的零件样品各项尺寸均达到了图纸要求。
  
七、结论
通过引信上体零件在MF Twin 65车削中心上运用UG软件完成整个加工过程以及对加工过程的仿真，我们基本能够熟练应用UGⅡ的manufacturing模块生成MF Twin 65机床的数控程序和vericut软件进行加工仿真。通过对典型零件的试加工，验证了应用UGⅡ软件实现数控机床编程自动化的可行性，为下阶段实现我所机械产品的CAD/CAM/CAE集成化打下了一定的技术基础。