1加工工藝制訂
1.1數控銑加工工藝分析
整體式獎杯曲面呈規則性變化,屬于典型的五軸數控加工案例,選用五軸立式加工中心進行零件的銑削加工。毛坯料選用尺寸為80mm×80mm×120mm的長方體,材料為7075鋁,夾具選用三爪自定心卡盤。獎杯整體開粗選用經典的三軸加工方法,杯頂內部采用局部開粗方法,根據曲面形狀和曲面的分布特點,分區域進行曲面的加工,工藝流程如圖1所示。

1.2加工策略設計
根據獎杯結構特點,利用PowerMill 2022軟件中的多軸加工模塊,依據機械加工工藝,選擇合適的加工策略,并對具體參數等進行詳細的規劃。刀軌策略如表1所示,刀具軌跡如圖2所示。


2 DMU 85 monoBLOCK虛擬仿真環境的建立
2.1 DMU 85 monoBLOCK加工中心結構參數
DMU 85 monoBLOCK[下文簡稱為DMU 85]屬于搖籃式多軸數控加工中心,其外形如圖3所示。DMU 85主要特點是B軸可以進行-120°~+120°擺動,C軸可以進行0°~360°旋轉,加工工藝范圍廣,主要參數如表2所示。


2.2 VERICUT搭建虛擬仿真加工中心
本文所選用的加工設備屬于專用加工中心,在VERICUT軟件中未配置加工中心模型,需繪制加工中心的三維模型,并對各部件的自由度進行分析。
[1]DMU 85加工中心運動分析及幾何建模
經分析,該加工中心運動部件的拓撲關系有兩條路線:一條路線是以旋轉工作臺為主的V軸模塊結構,另一條路線是以主軸為主的U軸模塊結構。在中望3D軟件中以1:1的尺寸比例還原加工中心造型并裝配,保存為通用格式并導入VERICUT仿真軟件中,依據加工中心拓撲關系構建虛擬仿真加工中心模型。加工中心各運動部件的拓撲關系圖和幾何模型結構圖如圖4所示。

[2]DMU 85加工中心運動關系建模
運動關系建模是將搭建好的三維加工中心模型中的各運動部件附加一定的自由度,以實現加工中心的運動。按照以下步驟,創建加工中心的運動關系。
1]建立坐標系
數控加工中心需建立坐標系,以檢驗加工中心各運動軸與加工中心坐標系原點的空間位置關系。虛擬加工中心模型搭建完成后,需激活組件坐標系、模型坐標系、加工中心原點、工件原點以及加工坐標零點。需要通過配置坐標系統CSYS來定義編程坐標系,編程坐標系需要與工件原點一致,以保證虛擬仿真的順利進行。
2]構建運動關系結構樹
由圖4所示的拓撲關系可知,該加工中心的銑削運動是由兩條路線的相互運動配合完成的。工件的運動:由床身→B軸→C軸→夾具→工件控制實現;刀具在主軸上的運動:由床身→X軸→Y軸→Z軸→主軸→刀具控制實現。構建的虛擬加工中心如圖5所示。

3]定義加工中心相關參數
虛擬加工中心應設置與實際加工加工中心相同的參數,主要設置旋轉軸的旋轉中心、主軸坐標點、碰撞檢查設置、各運動軸行程設置等,用以檢查虛擬仿真過程中刀具、毛坯、夾具等發生碰撞或干涉等情況。加工中心碰撞/干涉和行程極限設置如圖6和圖7所示。

[3]創建刀具庫
創建刀具庫是將實際加工所用的刀具按照1:1的比例在VERICUT數控仿真軟件中創建。在創建虛擬刀具時,需要設置刀具尺寸、裝夾點、刀具名稱、對刀點、刀柄特征尺寸等。
2.3 VERICUT數控系統選用
[1]選用數控系統
DMU 85加工中心選用的是Heidenhain iTNC 530,對應VERICUT數控仿真軟件中選用sin840d,如圖8所示。
[2]運動軸運動狀態檢測
搭建虛擬數控加工中心后,需要檢測各運動軸的運行狀態是否正確,通過換刀或者簡單程序指令的運行即可檢測各坐標系的設置、主軸與兩個旋轉軸是否會發生干涉或碰撞現象。檢測無誤后,即可設置毛坯、夾具,讀取數控加工程序,進行仿真驗證,其加工效果如圖9所示。

3 VERICUT仿真優化
VERICUT數控仿真軟件有虛擬仿真和仿真優化兩大類,VERICUT的優化模塊只能對NC代碼程序進行優化且優化之后的NC代碼程序可直接上機運行。該軟件可對空走刀、力、切削用量等因素進行優化,并且具備虛擬仿真加工與切削圖表、Force圖表同時生成的功能,更能直觀反映虛擬仿真過程中力、體積去除率、切削用量等因素的變化趨勢。

3.1空走刀優化模式
優化模式選擇"僅空走刀狀態",該優化方式是優化空走刀的程序段,其他正常切削不進行優化,即優化有切削能力的且未切削到工件材料的程序段。該優化模式下,通過調整解析度距離參數,可將輪廓的加工程序段優化為多行加工程序段,可提高輪廓的加工精度。空走刀優化模式下的參數設置,如圖10所示。運行程序即可彈出優化節省計算器,如圖11所示。經過優化,可提高31.8%的加工效率。優化后,可查看優化前和優化后的數控程序,并將兩者進行對比,會將優化部分的NC程序顯示不同的顏色,如圖12所示。

3.2當切削時提示優化模式
優化模式選擇"當切削時提示"狀態下,主要對切削刀具進行切削極限參數的優化,創建優化刀具庫,為其他模式的優化提供參考。從材料庫中選擇對應的材料即可,此時,在VERICUT日志器中顯示優化打開狀態,運行虛擬加工中心,即可彈出刀具優化選項卡,如圖13所示,根據切削刀具的切削特性進行填寫。在刀具優化中,提供了"僅空刀切削""體積去除""屑厚""屑厚&體積""深度/寬度表格""屑厚&力""屑厚&功率""僅屑厚"等多種優化方法。可選擇合適的優化方法,獲取更加高效、經濟且安全的數控加工過程。

3.3優化及力分析優化模式
[1]優化模式
通過"當切削時提示"優化方式,優化刀具庫后,即可選用優化方式。選用合適的優化方法,調整適合的切削參數,并保存刀具管理器,重置模型,運行虛擬加工中心NC程序,即可進行NC程序的優化。
[2]力分析優化
在優化過的刀具管理器中,選擇"屑厚&力"的優化方式,并保存刀具管理器。優化設置選項卡選擇力分析模式,并在材料庫中選擇對應的材料。運行虛擬加工中心NC程序,即可彈出如圖14所示的最大屑厚曲線圖表[圖14[a]]和總力曲線表[圖14[b]],最大屑厚穩定在0.11mm左右,最大總力在110~190N之間波動。

4結語
以整體式獎杯為對象,采用"POWERMILL+VERICUT"方法,編排合理的加工工藝、規劃刀具軌跡;并搭建數控虛擬仿真加工中心和設置虛擬加工中心關鍵參數,進行虛擬加工,根據結果優化NC程序和切削過程中刀具的受力情況。通過"自動編程+虛擬仿真"方法,可實現數字化虛擬加工,驗證NC代碼的可靠性,縮短制品的加工周期,提高加工中心的使用效率,增加企業收益。
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