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Vericut在少齿转子四轴精铣加工仿真中的应用
作者:王乾廷
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CAE/模拟仿真展厅
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一、Vericut的工作流程

Vericut是美国CGTech公司开发的一款集数控加工仿真、干涉校验、工时工况分析、代码优化等多种功能于一体的软件。该系统可以以虚拟现实的方式建立数控机床刀具夹具和毛坯模型,在刀位数据或NC代码的驱动下模仿金属切削加工中走刀轨迹和材料被切除的过程,使用户以直观的方式对工艺规划的合理性进行评估,对是否存在干涉进行校验,并优化走刀轨迹和NC代码。Vericut的工作流程如图1所示。


图1 Vericut的加工仿真流程

二、少齿转子的特点和编程方法

1.转子的特点

在油量计、气量计或塑料机械进给机构中,广泛使用一种螺旋齿轮。该齿轮的特点是模数较大,且属于非标准模数。若采用齿轮滚刀加工,为减小根切,必须采用特定的工艺方法才可生产出合格产品。另一方面,它的齿数较少(常为3齿或4齿),故精加工时采用铣削方法生产,其效率和精度均是可以接受的。例如,图2是一转子齿轮,它是由4齿渐开线剖面绕z轴作螺旋运动而形成的。该剖面由齿顶圆、渐开线和摆线连接而成,其外形如图2所示。齿轮参数列于表1,齿面粗糙度Ra为1.6。

表1 转子齿轮参数


图2 转子齿轮

2.转子的NC编程方法

由转子的形成过程可知,该工件应采用四轴加工:工件沿z轴负方向作匀速进给,同时绕z轴作匀速旋转运动,这样刀具在空间切削出一条螺旋线;每完成一个切削行程,工件快速复位,然后刀具在xOy平面上作渐开线插补运动(x、y联动),再进行第二个行程。反复执行该过程,直到整个齿面铣削完毕。这实质上仍是展成法加工。

转子NC编程时的已知条件为:(1)转子端面轮廓线。设计者通常把该轮廓离散为上千个数据点给NC编程者。(2)转子的齿数、模数、压力角、螺旋角、导程等参数。编程的具体方法如下:

(1)将端面轮廓点拟合成为光滑曲线,如图3a 所示。


图3 转子数据处理与建模

(2)建立转子的三维模型,如图3b所示。建模方法有很多,可在Pro/ENGINEER、AlphaCAM等平台上建立。建模时,轮廓线上任一点P(xi, yi)处的螺旋导动线方程为(坐标系参见图2):

式中,q为转子长度,h为导程,为P点矢径,,t为参变量,0≤t≤1。

(3)将端面轮廓按弧长平均打断为若干子段(图3c、图3d为局部放大图),子段数目按照表面粗糙度的要求确定。

(4)求出每个子段端点的坐标及该点处螺旋曲面的法矢量n。设球头刀半径为r,按公式P=P0+nr计算得到刀位数据,并据此编制NC程序(按刀心编程)。

三、用Vericut对铣削过程进行仿真

1.建立毛坯模型

对精加工进行切削仿真,理论上应该建立半成品模型作为精加工前的毛坯。但是,由于转子的端面齿廓是一单值曲线,故可以把粗加工前的圆柱形毛坯作为精加工前的毛坯,如图4所示。这样,在仿真中系统可能会提示每刀切深过大,但并不影响轨迹模拟和干涉校验。


图4 毛坯定义

2.机床定义

机床定义的内容包括*.mch文件(定义机床、夹具)和*.usr(CNC定义)两方面。由于机床的结构千变万化,CNC类型繁多,所以通常采用基于Vericut内嵌的机床定义文件结合具体的机床结构与CNC编程规则来定义。主要内容包括:(1)确定机床坐标系;(2)确定编程坐标系;(3)定义运动轴运动关系;(4)G代码和M代码定义。转子编程原点位于右端面中心,所以机床原点与编程原点不重合。以KAFO,某四轴立式加工中心为例,其CNC为FANUC 0M,机床原点位于z轴与工作台面的交点。这些均可在“Component Tree”中进行设置。

3.刀具定义

转子加工时采用球头铣刀。应根据NC程序中的刀号和选定的球头刀半径定义刀具,如图6所示。


a)


b)
图6 刀具定义

4.加工过程仿真

在定义好毛坯、机床和刀具的基础上,设置好仿真动画显示参数,就可以进行切削过程仿真了。如果需要,还可以对夹具、材料、视窗等辅助内容进行定义。图7a是左旋转子铣削仿真中的一个场景。切削过程和切削结果均显示在图形窗口中,干涉与否可通过日志文件和提示行查看。图7b则是由机床加工出的转子成品,它与仿真加工的结果完全一致。


a)


b)
图7 仿真加工的转子与实际加工的转子

四、结束语

Vericut是集多种功能于一体的切削仿真系统。本文阐述了基于Vericut少齿转子的NC铣削仿真的实现方法。利用该平台可以以形象直观的方式实现对数控代码的校验,对于保证数控程序的正确性具有重要意义,可以将过切与干涉等不安全因素消除在机床加工之前。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/7/2005)
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