Vericut软件应用在少齿转子四轴精铣加工仿真中

　　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)

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。