UG在短轴加工中的应用

卡丁车

锥型短轴是法国SNECMA公司出品的CFM-56发动机上低压涡轮部分的重要零件。该零件的主要特点是：零件几何形状较为复杂、材料加工性能差（变形高温合金）、加工精度要求高（曲面表面轮廓度为±0.075）等特点。整个零件壁厚最小处仅2.33mm，整个零件高550mm。
零件在整个工艺安排、机械加工中都有较大难度。整个零件轮廓复杂（见图1），采用人工计算控制点进行数控编程难度较大。为顺利完成法方的转包生产任务，我们引进了美国EDS公司的UGII CAD/CAM软件，利用现代化的CAD/CAM技术进行零件的数控程序编制工作，并进行了该零件的数控试加工，成功地完成了试制任务。
基于如下理由我们选用UG V13.0软件作为这次试制的软件平台：
*CAD/CAM功能强大，能够进行5轴及车削加工；
*CAD/CAM能够无缝集成；
*通用性较好；
*CAM加工策略较多，能较好地满足加工需要；
*加工算法稳定。

1 零件工艺分析
该零件材料是NC19FeNb变形高温合金。材料切削性能较差，具体表现为：切削时该材料硬度较高、切削变形大、加工硬化倾向大、切削力大、切削温度高、刀具易磨损、表面质量和精度不易保证。该材料已加工表面硬度可达基体的200～500倍；切削力比一般钢材增加约2～3倍，如果45号钢的切削加工性为1的话，高温合金的切削性能仅在0.5～0.2之间。由于零件壁薄，在安排走刀轨迹时应该考虑到由于切削力大、切削变形大等特点使得零件产生变形的情况，合理安排走刀轨迹和切削参数，保证零件尺寸精度和表面质量要求。
在工艺安排上，由于零件本身设计要求不允许磨削加工，所以只能进行车削加工。外圆40处、内腔24处花边及全部花边上0.7的倒角、全部孔系由加工中心完成。全部车削加工分为粗、精车两部分。粗车在程序编制时应考虑到毛料余量的不均匀性，在毛料余量不均匀较为严重的部位，要进行人工空程，节省加工时间。同时由于切削时零件表面产生的残余应力的释放及零件材料本身易变形的特点，在粗加工去余量完成后，要进行一段时间的自然时效，以释放零件表面的残余应力，避免精加工完成后表面应力释放造成零件严重变形报废。
由于零件材料加工硬化较严重，硬度较高，刀具材料我们主要使用陶瓷刀具和硬质合金刀具。刀具以SANTAVIK的刀具为主。

2 建立数学模型
要点及难点：以加工出来合格的零件为最终目标，在满足零件设计要求的前提下，根据CAM的要求建立合理的CAD数学模型。
CAD工作的关键在于要建立既满足设计要求，又方便CAM编程的零件模型。
该零件在工艺安排上首先要进行四道车工工序，然后外圈和内径要进行铣花边工序，如果直接按设计图进行建模，外圈和内径上的花边、孔系将干扰车削模块的正常工作，导致选不中所需要的加工边界。因此，本着建模为加工服务的宗旨，零件模型不能直接根据设计图所给尺寸进行建模。而应在车工工序完成后，总高度上还留有两毫米余量以便于铣花边工序的加工。同时，由于数控车床上进行的车削工序并不牵涉孔系等几何特征，因此在建模时应排除孔系，仅对车削所需的边界进行建模。法国SNECMA公司提供的设计图纸上对于曲线部分只给出了部分离散点，首先要在modeling中选中toolbox下的curve菜单，然后选中spline图标，选中through points(通过点)下的points from file项建立非均匀有理B样条曲线，在建立数学模型的时候要对根据离散点构造的B样条曲线进行光顺，以满足设计要求。在排除花边、孔系等几何特征后，该零件可看作是回转体零件，但形状较为复杂。由于该零件是回转体零件，仅需做出一根母线回转360°即可将零件外形做出，因此整个零件用UG的SKETCH（草图）功能处理较为有利。在SKETCH中将所有的尺寸和几何约束定义好，然后到modeling里选body of revolution图标将刚才构造的零件SKETCH曲线旋转360°形成实体。（见图2）


图1 零件总体效果图

图2 建模实体图

3 CAM加工
根据工艺分析得出的结论，开始进行加工车削程序的编制。在10、15工序粗车中，由于毛料不均匀，应首先对毛料较厚的部位进行处理，使毛料余量基本保持一致。否则，不是空走刀浪费大部分加工时间，就是切削深度太深导致刀具打刀。在具体操作时我们是这样处理的：?
首先不考虑这一问题，先做其他部分的走刀轨迹。在做轨迹时应注意到由于零件材料的切削性能不好的特点，刀具轨迹不能从头一刀切到尾，否则刀具磨损严重，根本无法加工。同时，在尖角部分应将零件边界适当延长，以便将切削产生的飞边切除。全部几何尺寸车到仅留1mm余量。在留有1mm stock的时候，零件表面的最小曲率半径会产生变化，刀具直径的选择应注意这一变化的存在，合理选择刀具直径，避免由于刀具直径比最小曲率半径大而造成的局部余量大给后续加工带来的负面影响。同时应注意的是：UG中engage/retract的默认值是自动圆弧进、退刀（auto circ），在一般情况下，采用该值是比较合理的，它可以使进、退刀点重合消除接刀台，并避免刀具扎刀。但是，采用什么进、退刀方式，应根据实际情况加以选择，在本零件中如果一味采用默认值，将造成刀具打刀。（见图3）
然后，将相应加工轨迹改名拷贝一份。编辑该轨迹，在STOCK中将STOCK值设为切削时在所选边界上都能吃刀的一个值。然后将切削刀数(number of pass)给定，应确保第一刀吃刀且切削深度合理。然后选择part geometry中的edit项下的edit项，将边界start点和end点进行按比例的或按长度的拉伸或裁剪。以便将加工范围局限在毛料较厚的部位。正面粗车进行完毕后，进行反面的粗车。在粗加工完成后，由于零件壁薄和零件材料易变形及粗车产生的表面应力等多重因素的影响，零件变形较严重。因此要在精车进行之前，进行约两周的自然时效，使表面应力尽可能地释放，避免零件在后续加工中产生较大的变形。在自然时效后，可以进行零件的半精、精加工。由于零件的最小壁厚仅2.33mm，因此在重要部位要进行半精车，留0.2mm的余量给精车即可（即在stock中输入0.2）。


图3

在精加工的时候要注意的是：根据零件设计图的要求，零件接刀痕不允许存在于曲面上，仅允许在曲面的根部R转接的部位存在。因此在设计刀具加工轨迹的时候，就不能向粗车工序一样，接刀痕在哪里都无关紧要。
在精车工序中，接刀痕必须留在R转接处。换句话说，也就是如果上、下曲面不是一刀加工出来的，那么上、下曲面的分界处应选择在曲面根部R转接处。全部刀具轨迹做完以后，通过manufacturing下的export输出刀位源文件*.cls(实际是ASCII的APT语言源程序)，然后在toolbox中选择clsf，指定刀位源文件，选择select all菜单，再选择postprocess菜单，在MDF name下输入已做好的机床后处理文件名，并选择postprocess菜单即可得到所需的G代码文件（在UG中文件后缀为*.ptp）

4 铣花边
在零件四道车削工序进行完毕后，进行铣花边工序。根据设计图要求，构造出CAM所需的三维造型。选用UG的planar-mill模块进行加工。在选择刀具时应注意：先用info中的minimun radius确定零件的最小曲率半径，然后再选刀，要保证刀具直径小于最小曲率半径。否则，UG为避免过切将自动让刀，会使零件加工完成后仍有未切区域。同时为保证没有接刀痕，进、退刀尽量选用自动圆弧进、退刀。为保证精度要求，本工序可在精度较高的两轴半或三轴机床上进行。切削效果见图4。


图4 铣花边效果图

5 结束语
通过锥型短轴的试加工，我们已初步掌握了UG的车床模块的操作，并有一些体会。首先，CAM 所需的数学模型并不一定要按设计图一模一样地进行CAD造型，而要在满足设计要求的前提下尽可能地方便CAM加工需要。比方说，作凸轮就没有必要非要将定义好的边界拉伸成实体，再进行CAM加工，实际上只要有一根边界线就已足够。CAD造型要根据实际需要来进行，不能刻板的工作。以上介绍的各工序加工情况已充分说明了这一点。其次，UG中的默认值在一般情况下是比较好的。但是否采用，应根据实际情况决定。本零件的加工就已充分体现出了这一点。第三，能够编制出零件加工程序并不意味着能够加工出合格的产品。走刀轨迹怎样安排，要和实际情况紧密联系起来。根据机床、刀具、夹具、零件材料的切削性能、零件结构等因素确定合理的工艺路线和切削参数。由于我们从事CAD/CAM工作时间较短，经验还不够丰富，错误难免存在，恳请批评指教