随着中国铁路事业的不断发展, 铁路运营对钢轨提出了更高的要求, 尤其是对焊缝处的平直度要求更加严格。一直以来国内大多采用国外直接进口打磨设备进行生产加工, 但始终存在成本高、培训周期长等缺陷。然而, 目前许多科研机构提出了一种基于数控插补原理进行仿形磨削的加工方案, 并逐渐开始运用于生产实践。为了验证这种方法的正确性, 本文提出了利用Vericut软件在计算机虚拟环境中对机床的加工过程进行仿真, 并对相关关键技术进行介绍。
根据机床的工作要求, 抽象出各组件之间的运动关系, 并由此完成机床各运动组件的定义, 接下来就是对各组件进行建模。结合实际情况, 我们选择在Vericut软件中直接建模的方式完成对机床各运动组件模型的搭建。
机床模型的建立包括床身, X、Y、Z、W线性模型及主轴的创建。分别单击项目树的床身、X线性、Y线性、Z线性、W线性及主轴完成添加, 并选择移动选项进行空间位置移动, 完整的机床模型如图1所示。
选择毛坯项, 在弹出的对话框中选择添加模型, 再点击创建扫描, 然后在添加坐标中输入模型坐标, 并保存, 毛坯的扫描建模过程如图2所示。移动其空间位置, 将毛坯移动到我们所设计好的位置上, 移动坐标为 (0, -30, 0) 如图2所示。
对于夹具, 我们也采取易于建模的方法。选择夹具项, 选择添加模型, 再点击创建扫描, 点击添加输入夹具模型第一部分的平面坐标再通过移动其空间位置, 将夹具移动到我们所设计的机床位置上, 移动坐标为 (-30, -160, 0) 。同理, 构建夹具的第二部分模型, 再移动其空间坐标, 移动坐标为 (30, -160, 0) 。
Vericut软件拥有功能十分强大的刀具设计模块。在刀具管理器中, 我们可以根据不同的需要添加不同类型的刀具, 也可使用“Import DXF”功能将刀具图导入来使用。这里我们选择在铣削刀具模式下自定义生成所需要的磨削刀具, 具体的参数定义见图3。
最后确定刀具的装夹点, 为了更为方便的装夹, 我们这里选择其中一端的刀柄末端作为装夹点, 其坐标为 (0, 0, 12) , 这时机床仿真模型的实体添加完毕, 如图4所示。
机床的设置包括机干涉检查、初始位置设置、行程设置等。
机床设计完成后, 必须对运动部件进行干涉检查, 否则, 一旦发生事故, 轻则机床毁坏, 重则造成安全事故。在机床设置的碰撞检测中, 需要将忽略干涉的值修改为1.0。需要检测的项目有床身与X线性、Y线性, Y线性与夹具、毛坯, X线性与夹具、毛坯, 还有主轴与夹具、毛坯。完成这些定义后, 如果运动部件发生超过1.0 mm的干涉现象, 机床就会有报警提示。
机床在建模的过程中, 各运动部件的位置都是对于机床坐标来说的, 具有很强的随机性。因此, 我们需要对机床的初始位置进行设置, 点击工具栏, 选择设置中的位置设置选项, 选择机床台面作为初始机床位置, 并进行添加, 输入机床的初始化位置坐标 (-100, -35, -75) 。
行程设置是定义机床各个运动轴的行程极限。在机床运行过程中, 如果编程不当或是其他原因导致机床超行程运动时, 机床就会自动报警显示。因此需要确定机床的有效加工范围, 避免加工中的“超程”。设定Z组件行程为 (400, -400) , 设定X组件行程为 (400, -400) , 设定Y组件行程为 (210, -210) 。
Vericut数据库中自带有大量世界主流的数控机床控制系统, 比如西门子数控系统、FANUC数控系统、三菱数控系统等, 用户可以根据需要直接调用。结合本次仿真具体情况, 这里选择软件自带的FANUC 0控制系统——fan0m.ctl。
所谓的工件坐标系, 即固定于工件上的笛卡尔坐标系, 是编程人员在编制程序时用来确定刀具和程序起点的, 该坐标系的原点可由使用人员根据具体情况确定。这里我们选择G54工件坐标系, 为了方便编程, 将工件坐标系原点置于毛坯上, 具体位置即毛坯轨顶左下部分边缘线上的中点。
数控编程编写的主要内容包括:分析零件图样, 制定工艺方案, 数值计算, 编写零件加工程序等。
按照0GS系统的G代码编写要求, 编写毛坯的数控加工程序如下:
检查完数控程序的正确性, 设置好干涉、超程、碰撞等识别颜色, 即可仿真加工。本文中, 仿真结果是通过动画表现出来的, 通过截图可以看到仿真加工后的模型, 如图5所示。通过测量及比较等工具, 显示加工模型不存在过切、残余材料等现象, 仿真结果与实际加工结果完全吻合。
钢轨数控精磨机的加工仿真涵盖了机床运动学、加工刀具及加工工艺等多方面的知识。钢轨数控精磨机在生产实践中有很强的实用性和经济性, 有很好的应有前景。Vericut是一种基于机床的几何仿真, 但无法根据刀具及加工材料对加工过程中的切削力、温度、热流、残余应力等进行分析, 随着仿真技术的不断发展, 切削过程的微观仿真技术也会越来越成熟。
摘要：在数控机床研发阶段引入加工仿真可以检验机床的结构设计、验证加工程序、缩短开发周期、减少开发成本。通过分析数控钢轨精磨机的结构和运动, 基于仿形磨削原理, 依靠Vericut软件平台, 建立了钢轨精磨机的仿真模型, 进行了相关参数的设置, 编制了具体的仿真程序, 并进行了仿真加工。结果表明该钢轨精磨机结构设计合理, 满足功能要求。
关键词：钢轨精磨,仿真加工,Vericut
[1] 陈波, 赵福令.基于VERICUT的数控加工过程仿真技术[J].机械设计与制造, 2006, 6 (6) :58-60.
[2] 朱正祥, 黄筱调.基于VERICUT的数控机床加工仿真与优化[J].现代制造工程, 2008 (3) :40-43.
[3] 杨胜群.VERICUT数控加工仿真技术[M].北京:清华大学出版社, 2010.
[4] 陈俊.数控机床编程及应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2008:62-80.
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