隨著CAD、CAM、CAE 等技術(shù)不斷發(fā)展和日趨完善，它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。其中Unigraphics 軟件是這一技術(shù)發(fā)展得比較成功的軟件之一，它起源于美國(guó)麥道飛機(jī)公司，以CAD/ CAM/CAE 一體化而著稱(chēng)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、通用機(jī)械等領(lǐng)域。其CAM 模塊尤其出色，在同類(lèi)軟件中處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，它提供了一種交互式編程工具，可計(jì)算生成精確可靠的刀具加工軌跡，是一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助制造模塊。目前，這一技術(shù)已成功應(yīng)用于模具及零件的制造過(guò)程，為企業(yè)帶來(lái)了極高的加工質(zhì)量及可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

　　現(xiàn)代制造業(yè)所面對(duì)的經(jīng)常是具有復(fù)雜型腔的高精度模具制造及復(fù)雜型面產(chǎn)品的外型加工，其共同特點(diǎn)是以復(fù)雜三維型面為結(jié)構(gòu)主體，整體結(jié)構(gòu)緊湊，制造精度要求高，加工成型難度極大。通過(guò)近幾年對(duì)UG軟件的應(yīng)用摸索，針對(duì)上述制造過(guò)程中普遍存在的技術(shù)難點(diǎn)，將傳統(tǒng)工藝方案中適用現(xiàn)代數(shù)控加工的精華部分溶入U(xiǎn)G/ CAM的應(yīng)用過(guò)程，總結(jié)出一套適用于各類(lèi)復(fù)雜型面的數(shù)控加工編程方法。

　　1 建立數(shù)學(xué)模型

　　任何一個(gè)軟件都是以CAD 階段所獲得的產(chǎn)品三維實(shí)體模型作為其CAM 階段刀軌計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源。模型是基礎(chǔ)，它的正確可靠性直接影響刀軌數(shù)據(jù)的正確可靠性。UG/ CAM所依賴(lài)的數(shù)據(jù)計(jì)算模型可以通過(guò)兩種途徑獲得:

　　a. 用UG軟件的CAD 系統(tǒng)直接構(gòu)造。

　　b. 通過(guò)IGES、STEP 或UG的專(zhuān)用數(shù)據(jù)接口(如parasolid) 將其他CAD 系統(tǒng)構(gòu)造的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再對(duì)轉(zhuǎn)入模型的歧異部分進(jìn)行處理，使之符合UG/ CAM系統(tǒng)的要求。

　　在建立模型之前，我們應(yīng)首先對(duì)模型各特征的建立順序及建立方法作周全考慮，先作什么，后作什么，用什么方法作，使用哪一種造型功能，這些對(duì)后續(xù)的CAD 及CAM 工作都將產(chǎn)生極其重要的影響。另外，在產(chǎn)品型面結(jié)構(gòu)特別緊湊的情況下，一定會(huì)有不少型面在理論上是相切關(guān)系，因此必定造成臨界關(guān)系面的存在，這種關(guān)系的存在往往導(dǎo)致布爾運(yùn)算無(wú)法正常進(jìn)行，因此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)必須對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行恰當(dāng)處理。這一處理過(guò)程是建模過(guò)程中最容易被忽視也是最重要的步驟之一。例如，我們可以將產(chǎn)品允許公差合理容入數(shù)學(xué)模型中，對(duì)局部尺寸進(jìn)行合理調(diào)整，這樣就可以避免臨界關(guān)系的存在，使各特征單元通過(guò)布爾運(yùn)算順利合并為一整體。

　　2 確定加工坐標(biāo)系

　　實(shí)體模型的建立是以工作坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，而數(shù)控加工刀位源文件的生成則是以加工坐標(biāo)系為基礎(chǔ)。加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位置應(yīng)便于加工者快速準(zhǔn)確對(duì)刀，同時(shí)方便加工過(guò)程中需要進(jìn)行的尺寸計(jì)算。確定加工坐標(biāo)軸方向時(shí)應(yīng)考慮被加工產(chǎn)品在數(shù)控機(jī)床上的裝夾擺放情況。

　　3 規(guī)劃刀位源文件

　　根據(jù)不同產(chǎn)品型面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 我們可選用UG/ CAM 提供的PLANAR MILL (平面銑) 、CAVITYMILL (型腔銑) 及FIXED CONTOUR (固定軸輪廓銑) 3 個(gè)各有特色，相輔相成的加工模塊規(guī)劃各類(lèi)型面的加工刀位源文件，這一過(guò)程中既可單獨(dú)運(yùn)用其中某一個(gè)模塊編程將型面加工成型，又可搭配使用各模塊生成型面加工刀位源文件。總之，應(yīng)根據(jù)加工型面的不同靈活掌握各模塊應(yīng)用特點(diǎn)，高質(zhì)量、高效率地加工出我們滿(mǎn)意的產(chǎn)品。

　　PLANAR MILL 及CAVITY MILL 是規(guī)定二軸聯(lián)動(dòng)的加工模塊，可規(guī)劃刀具平面輪廓運(yùn)動(dòng)及加工精度，并提供了用點(diǎn)、線(xiàn)、棱邊、面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的刀具軌跡計(jì)算方式。對(duì)PLANAR MILL 而言，進(jìn)行刀軌計(jì)算時(shí)只需要構(gòu)成加工對(duì)象的線(xiàn)或棱邊即可。如圖1所示平面1 及平面2 就很適合用該加工模塊編制其數(shù)控加工程序。應(yīng)用CAVITY MILL 模塊進(jìn)行加工計(jì)算時(shí)，必須有表征零件三維數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)還需要構(gòu)造Boundary(邊界) 或Blank Geome2try(毛坯體) 等要素。如圖2 所示內(nèi)腔的刀軌路徑可用該模塊進(jìn)行精確規(guī)劃，我們可以采取圓柱平底銑刀以自上而下的分層環(huán)繞方式去除毛坯多余材料并最終成型其內(nèi)腔型面。

　　圖1

　　圖2

　　FIXED CONTOUR 是規(guī)定三軸聯(lián)動(dòng)的加工模塊，它提供一種完全的和綜合的加工方式，可適應(yīng)實(shí)際加工中各種工序加工的需要，可用于進(jìn)行粗加工、半精加工、精加工及清根等操作，它還提供了多種走刀方式和驅(qū)動(dòng)方法，可自由規(guī)劃刀具的三維空間運(yùn)動(dòng)軌跡及加工精度，可以用來(lái)加工任何形狀的型腔或零件表面，運(yùn)用該模塊進(jìn)行刀具切削軌跡計(jì)算時(shí)需要提供構(gòu)成加工對(duì)象的三維數(shù)據(jù)模型(如片體Sheet Body 或?qū)嶓wSolid Body 等) 以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)方式。

　　三維型面如圖3 所示時(shí)，我們可以在該加工模塊下簡(jiǎn)便地以圓柱球頭銑刀采用放射式走刀方式將型面加工成型。采取這種方式編程加工，編程工作量小、效率高。

　　圖3

　　大多數(shù)情況下，以上3 種加工模塊應(yīng)合理搭配，綜合使用。這時(shí)各模塊驅(qū)動(dòng)幾何體的合理定義非常重要，它直接影響零件型面的成型質(zhì)量、加工程序的實(shí)用性、加工效率及切削刀具的幾何參數(shù)。15 處加強(qiáng)筋成型如圖4 所示。槽(粉紅色所示) 時(shí)，我們就應(yīng)采用不同加工模塊分別規(guī)劃其粗、精加工刀軌路徑。粗加工過(guò)程可以用CAVITY MILL 模塊以直徑小于槽寬的適當(dāng)平底柱銑刀逐層去除毛坯材料。切削深度的定義是這一階段規(guī)劃重點(diǎn)，它直接影響切削效率以及為精加工階段所保留加工余量，切削深度由公式H = ( Ramax - Ramin) ×ctgA 計(jì)算而得。其中H 為切削深度， Ramax、Ramin 分別為最大、最小加工余量，A 為加強(qiáng)筋與水平面夾角。在粗加工為精加工規(guī)劃好加工余量和預(yù)留形狀后，精加工過(guò)程就可以采用FIXED CONTOUR 模塊以直徑與槽寬相等牛鼻銑刀沿型銑削，高質(zhì)量高效率將槽加工成型。

　　如圖5 所示區(qū)域1 所示型面，也是一個(gè)需要綜合應(yīng)用各加工模塊對(duì)精加工刀具軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃的典型實(shí)例。其型面極不規(guī)則，不僅二維型面與三維型面交織在一起，并且容刀空間很小，型面間落差又很大，這些都不利于加工刀具路徑的合理規(guī)劃，稍有偏差就會(huì)出現(xiàn)扎刀、啃刀、碰撞、過(guò)切等諸多不良現(xiàn)象，因此，刀軌規(guī)劃要作得極為周密。我們可先運(yùn)用PLANAR - MILL 模塊，以圓柱平底銑刀進(jìn)行二維型面銑削，這一過(guò)程需要基于菱形輪廓手工定義對(duì)應(yīng)于不同深度的各驅(qū)動(dòng)邊界。可通過(guò)Extract 抽取出菱形柱面與周邊型面的相貫線(xiàn)， 再運(yùn)用ProjectPoints/ Curves 功能獲得相貫線(xiàn)在對(duì)應(yīng)側(cè)面的二維投影線(xiàn)，用數(shù)學(xué)的方法將這些投影線(xiàn)簡(jiǎn)化為一段段直線(xiàn)后，我們可采用計(jì)算圖四加強(qiáng)筋切削深度的原理來(lái)計(jì)算恰當(dāng)?shù)牡毒呙繉鱼娤魃疃龋藭r(shí)需要綜合考慮各相貫線(xiàn)對(duì)切削深度的制約因素。由于我們所進(jìn)行的并不是純理論的研究，而是伸手可及的機(jī)械加工，所以在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)加入我們的數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行近似求解，在求得各層切削深度值后，再作出區(qū)域1 內(nèi)型面在各切削深度層面的最大外輪廓線(xiàn)作為各切削深度所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)邊界，該驅(qū)動(dòng)邊界內(nèi)應(yīng)包含有切削刀具的進(jìn)刀點(diǎn)及退刀點(diǎn)，保證刀具不碰傷整個(gè)產(chǎn)品的任一處型面，要能做到在確保加工質(zhì)量、加工效率及可行的刀具參數(shù)的同時(shí)盡量大面積地將該區(qū)域內(nèi)的二維型面加工成型，同時(shí)去除三維型面的表面加工余量，為后續(xù)的精加工作好前期準(zhǔn)備。之后，我們?cè)龠\(yùn)用FIXED CONTOUR 加工模塊，用圓柱球頭銑刀對(duì)上一過(guò)程不能成型的三維型面進(jìn)行成型加工及清根操作，這里要強(qiáng)調(diào)走刀方式和驅(qū)動(dòng)方式的定義，它們是確保型面加工質(zhì)量的關(guān)鍵，應(yīng)針對(duì)三維型面的空間變化趨勢(shì)，盡量沿型面變化較大的方向走刀，走刀方式可確定為沿平行于走刀方向進(jìn)行往復(fù)切削。

　　圖5

　　整個(gè)操作方式編程工作繁瑣，設(shè)定驅(qū)動(dòng)邊界時(shí)要求全局考慮，仔細(xì)計(jì)算到所有相關(guān)特征，其優(yōu)點(diǎn)則在于生成加工刀軌路徑時(shí)計(jì)算量很小，計(jì)算速度快，生成的加工程序短小適用，加工效率極高，型面的成型精度及表面粗糙度也都很高。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)踐證明，UG/ CAM 的高端技術(shù)可以為產(chǎn)品復(fù)雜三維型面的數(shù)控加工帶來(lái)極高的加工效率、加工質(zhì)量，并給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。我們還將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展思路，將更先進(jìn)的VariableContour (可變軸輪廓銑) 等加工模塊應(yīng)用于數(shù)控加工中，讓這一先進(jìn)的制造技術(shù)繼續(xù)為企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造及各類(lèi)加工中心(包括三軸、四軸、五軸加工中心) 的高效利用發(fā)揮巨大作用，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。