基于UG软件的圆柱凸轮槽数控加工

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基于UG软件的圆柱凸轮槽数控加工

摘 要：空间圆柱凸轮具有体积小、结构紧凑、传递扭矩大和转速高等优点，它在包装、农业机械、纺织、轻工、食品及制药等自动化机械中广泛应用。本文主要解决了通过UG软件来实现圆柱凸轮的复杂凸轮槽的加工，替代传统的加工方法，提高凸轮的加工精度和效率。



关键词：圆柱凸轮；数控加工；工艺；可变轴轮廓铣；四轴编程

凸轮机构一般是由凸轮，从动件和机架三个构件组成的高副机构。凸轮通常作连续等速转动，从动件根据使用要求设计使它获得一定规律的运动。凸轮机构能实现复杂的运动要求，广泛用于各种自动化和半自动化机械装置中，它分为平面凸轮机构和空间凸轮机构。其中，空间凸轮机构中的关键零件凸轮的加工一直是机械加工的难点。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件，一般可分为盘形凸轮、移动凸轮和圆柱凸轮三类。其中带有槽体的圆柱凸轮是比较常见的一种空间凸轮，对其槽的加工常规方法采用分度头铣削或靠模法加工，加工难度大，周期长，加工精度低，对操作工人技术水平要求高且一致性差。随着多轴加工的逐渐成熟和推广开来，在圆柱凸轮槽加工上我们可以充分利用CAD/CAM软件的强大功能来弥补常规方法的不足。本文我们以加工的外协件-圆柱凸轮槽为例来介绍如何在UG软件中采用多轴加工的方法来实现圆柱凸轮槽的加工。



1 加工工艺分析

图1是笔者近来进行外协编程的一用于包装机械上的外协件，从上面二维图上我们可以得知该圆柱凸轮槽是环绕在圆柱面上的等宽槽，槽宽25mm，槽深20mm，显然，通过一般的XYZ三轴连动是无法加工出来的，必须借助一个角度变化来控制槽在圆柱面的分布，那么只能考虑采用四轴编程加工来实现。考虑到模具厂现有设备的实际状况，普通的三轴数控铣床没有配备数控分度头只能三轴连动，显然无法实现该工件的加工，虽然具有五轴功能的高速FIDIA铣床从原理上可以实现，但由于该工件的加工量较大为20mm，所以也不适合在其上加工。最终安排在带有数控回转工作台的国产卧式加工中心上进行，它可以实现工作台旋转360度从而可以满足此次加工要求。



2 模型的建立

要想实现程序的输出首先必须先构建出加工模型，圆柱凸轮槽分布于圆柱面上，圆柱凸轮槽的底部在每一个截面上都是等深的，且槽宽不是很大，所以我们需要构造出槽底的中心线进行加工。在UG软件中，我们主要借助于Wrap/UnWrap，project功能通过缠绕法来实现圆柱凸轮槽中心线的空间建模，具体过程如下：



（1）根据圆柱凸轮槽的二维展开图，首先在XOZ平面内中做出由多段圆弧和直线组成的二维曲线L1，L2，L3。






（2）创建D120*H110的圆柱实体CYLIND1，并创建与圆柱面相切的基准平面DATUM1。



（3）创建曲线L1，L2，L3到DATUM1的投影曲线批p1，p2，p3，如图3示。



（4）在UG中执行如下操作Isert |Curve Operation|Wrap/Uwrap弹出如图2所 示的对话框，其中Wrap face选择圆柱面，Work plane选择DATUM1，curves to wrap选择批p1，p2，p3，即可得到缠绕后的圆柱凸轮槽的空间曲线wp1，wp2，wp3，如图3所示。



需要注意的是第3步创建投影曲线很关键，必须先投影到基准平面DATUM1上，否则无法进行缠绕。



（5）创建与圆柱体CYLIND1同心的辅助圆柱实体CYLIND2，其尺寸为D80*H110，将第4步中的缠绕线wp1，wp2，wp3再投影到辅助圆柱实体上，进行投影的具体参数设置如图4，得到图5的槽底曲线p1’，p2’，p3’。



需要注意的时，投影时被投影曲线可以同时选择图3中的wp1，wp2，wp3三条线，投影面选择辅助圆柱实体的外表面，copy method 必须选择associate，否则投影出错，Direction Method选择Toward a line选中图5中的辅助圆柱实体的轴心线。（为了显示效果需要，图5中隐去了圆柱体CYLIND1及其缠绕线wp1，wp2，wp3）



（6）将wp1和p1’，wp3和p3’分别采用Free Form Feature|Ruled形成槽两个侧壁面S1和S2，利用wp1和wp3对圆柱体CYLIND1外表面进行TRIM得到局部曲面S3，利用p1’；和p3’对辅助圆柱体CYLIND2外表面进行TRIM得到局部曲面S4，将S1，S2，S3，S4四个曲面缝合（Sew）成闭合实体如图6所示，最后用圆柱体CYLIND1和该实体进行相减（SubStract）即可得到最终实体如图7。



3 编程策略

（1）编程参数设置。对零件造型完成后，选择UG可变轴轮廓铣（Variable Contour）这一加工模块，进入多坐标编程环境，然后确认机床坐标系和建模坐标系是否一致，如不一致则需要改变，在这里我们需要沿着X轴旋转90°来吻合我们的机床坐标系，刀具选择平底圆柱立铣刀D25R0。UG提供了多种驱动方式，这里选择Curve/Point驱动，驱动几何体则选择缠绕投影后的凸轮槽底的空间曲线p2’，精度设为0.05，投影矢量设为Toward Line，选择图5中的辅助圆柱实体的轴心线， TOOL Axis选择4 Axis Normal to Part确保刀轴始终法向于圆柱面。



（2）仿真校验。加工轨迹生成后，利用刀位编辑、轨迹的连接和打断编辑以及参数修改等功能，对相关轨迹进行编辑和修改。运用轨迹仿真功能，即可屏




幕模拟实际切削过程，显示材料去除过程和进行刀具干涉检查，检验生成的刀具轨迹是否满足要求，查看切削后的工件截面，确保不会出现过切。



（3）后置处理。UG走刀并产生的刀具轨迹（CLS文件），并不能直接用来加工模具，还必须对CLS文件进行后置处理方可生成数控加工程序—NC代码。针对不同数控系统制作后处理程序（MDFA文件）是CAD/CAM应用中的一项重要工作，它直接影响着从CLS->NC 代码转换的正确性。在仿真校验无误的情况下，针对机床结构和控制系统的不同，需要针对性地进行后置设置，UG软件中提供了常见控制系统的后置处理设置，由于国产卧式加工中心采用的是Fanuc控制系统，我们利用UG软件的PostBuilder模块配置了该控制系统专用的四坐标后置处理程序。



4 实施数控加工

由于圆柱凸轮槽宽度不大，所以制定的加工策略是采用相应直径的立铣刀沿着程序中控制的槽腔中心线进行加工。由于所给工件毛坯是一个实心的圆柱体，首先要进行开槽加工出进刀孔，然后选用直径小于槽宽的平底圆柱立铣刀粗加工、半精加工，最后选用直径=槽宽的平底圆柱立铣刀进行精加工。



5 结束语

在编程中我们采用了曲线缠绕法实现了圆柱凸轮槽的造型，这也是首次尝试这一功能，费了些周折，并选择配置的四坐标后置处理程序进行程序输出，获得了令人满意的刀具轨迹，加工后显示一切正常，经外协单位首件确认完全符合要求，大大提高了其凸轮加工的效率和精度。今后我们将利用UG软件的强大功能在多轴加工方面大力挖潜，拓展模具厂的业务，提升我们的加工能力。



参考文献：

[1]唐荣锡.CAD/ CAM技术[M].北京航空航天大学出版社，1994.

[2]卓迪仕.数控技术及应用[M].北京：国防工业出版社，1997.

[3]苏红卫.UG铣削制造过程培训教程[M].清华大学出版社， 2005.

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