CN102156441B

CN102156441B - 一种弯管外表面的三轴数控铣削加工方法

Info

Publication number: CN102156441B
Application number: CN2010106204771A
Authority: CN
Inventors: 王续跃; 孙建立; 高航; 刘巍; 马日光; 孙传俊
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: CN102156441A

Abstract

本发明一种弯管外表面的三轴数控铣削加工方法属于数控加工领域，特别涉及一种采用三轴数控铣床加工弯管外表面的加工方法。该加工方法基于UG软件、采用三轴数控加工设备和球头刀具进行加工，加工前对弯管零件外表面进行加工区域的划分、刀具轨迹的规划和切削进给方式的优化；对被加工的弯管零件共进行两次装夹定位；利用UG的CAM模块编制外表面加工程序；四个加工区域均采用沿弯管母线平行往复走刀方式和由下到上的进给方式；该方法解决了加工弯管外表面的干涉问题，有效降低了切削冲击载荷，切削状态稳定；工序简单，表面质量好，效率高；适用于加工各类大中小型弯管类零件外表面的加工。

Description

一种弯管外表面的三轴数控铣削加工方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，特别涉及一种采用三轴数控铣床加工弯管外表面的加工方法。

背景技术

目前很多的商业CAD/CAM软件应用于复杂曲面加工领域。UG是一个以CAD/CAM/CAE一体化而著称的计算机辅助设计制造***，目前已广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域。UG作为一款高端的CAD/CAM软件，在数控加工各类曲面或复合型面中有着极为广泛的应用，不仅提高了效率，而且提高了程序的正确性和安全性，降低了生产成本，提高了加工质量。UG软件的加工模块功能十分强大，刀轨生成方式有多种，例如平行走刀、螺旋走刀、跟随工件周边方式等等。选择合适的轨迹生成方式，合理控制刀轴避免和工件的干涉，形成合理的刀具轨迹，才能高效优质的完成零件的加工，才能充分发挥其强大的CAD/CAM功能，更好的为工业生产服务。

对于弯管类零件的表面机械加工，鉴于其曲面的复杂性，一直是零件加工的难点。多数弯管类零件的加工方法是，先制造直管，然后通过弯管机来进行弯曲最终成型。这种加工方式免去了对弯管的复杂曲面加工，简化了制造过程。但是，弯曲过程对表面质量有很大的损伤。对表面质量要求高的弯管类零件，必须通过最终的表面机械加工来获取预期的表面质量。这类弯管类零件的制造方式有两种，一种是先制造弯管毛坯件，然后进行表面机械加工；另一种是先制造直管，然后弯制，最后再进行表面机械加工，最终得到预期的表面质量。例如核电站主管道的加工制造，就是通过铸造成型或通过锻造弯曲后再进行表面机械加工。

弯管的外表面是一种特殊的复杂曲面，是一种细长异形封闭筒构造。外表面由于弯曲带来的不仅是表面曲率的变化，还有空间区域的干涉问题。其加工工艺要求优化刀具路径，即在刀具容许的空间内，完成整个外表面的加工的同时，避免切削过程中的切削负荷的突变，降低给刀具和零件带来的冲击，延长刀具寿命，保证加工质量。目前弯管的外表面经铸造或弯制成型后一般不再进行机械加工，对于一些需要对外表面加工的零件，一般采用的方法是沿弯管截面走刀方式，效率较低，而且连接处易留下毛刺，影响整体质量。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，特别是机械加工弯管类零件外表面困难的技术难题。采用的方法是沿弯管母线走刀方式加工，效率高，而且连接处无毛刺，整体质量好。通过规划刀具轨迹和优化工艺过程，提供了一种实用高效的弯管外表面加工方法。采用三轴数控加工设备、球头刀具等工具，利用UG软件对弯管外表面进行数控加工。该方法实现了弯管外表面加工，高效实用，方法简单。

本发明采用的技术方案，基于UG软件、采用三轴数控加工设备和球头刀具1进行加工，其特征是，加工前对弯管零件2外表面进行加工区域的划分、刀具轨迹的规划和切削进给方式的优化；对被加工的弯管零件共进行两次装夹定位；加工中刀具切削运动是沿弯管母线方向，每次走刀运动都是在X-Y平面内完成，进给方式由下到上；外表面加工按弯管截面各90度均分为上下对称的四个区域，即0°～90°为第一区域I、90°～180°为第二区域II、180°～270°为第三区域III、270°～360°为第四区域IV，各区域生成的刀轨均是平行均匀的；加工完弯管的上半部分第一、第二区域I、II后，将弯管翻转180°，重新定位夹紧，继续加工弯管的下半部分第三、第四区域III、IV；具体加工方法步骤如下：

(1)在三轴机床上对弯管进行定位和夹紧，首先将弯管平放于三轴机床的工作台上，然后利用弯管内表面空间，使用压板压住弯管内表面，但不拧紧螺母，接下来利用弯管端面，通过对刀找到弯管一端的圆心，取该点为加工原点，然后在水平面内调整弯管的位置，使工件在机床坐标系中的位置和三维模型在加工坐标系中的位置保持一致；最后拧紧螺母，夹紧弯管，确保零件在加工过程中不移动位置；

(2)利用UG的CAM模块编制外表面加工程序；

a首先建立弯管的三维模型，依据弯管上下对称的特征，分为四个加工区域，即第一、第二、第三、第四区域I、II、III、IV；

b然后在UG软件的加工模块进行三轴加工编程；弯管外表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管外表面划分的四个加工区域，先加工上半部分的第一、第二区域I、II在加工下半部分的第三、第四区域III、IV；粗、精加工采用不同的刀具，粗加工采用大直径D66的刀尖圆角刀；半精加工和精加工采用Φ10的球头刀具。但在加工中的各个阶段，四个区域都采用同一把刀具；

c刀轨生成控制设置如下，

根据工件材料、刀具刚性和表面质量的目标预期值等来确定切深a_p、进给量f、转速v_c的值；四个加工区域均采用沿弯管母线平行往复走刀方式和由下到上的进给方式。即刀具切削运动是从弯管一端到另一端的往复切削，进给运动是沿Z轴方向从小到大进给，逐渐进给至弯管最高点终止。d通过二维和三维动态仿真模拟加工过程，确认整个加工过程没有过切和碰撞等问题，验证刀轨的正确性；

e根据所使用的数控机床对刀轨进行后处理，将工件坐标系下的刀位点坐标转换成五轴机床坐标系中各轴的平动和转动，形成机床能识别的G代码；

(3)通过计算机将后处理的加工程序传输给三轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管上半部分的第一、第二区域I、II，完成后松开夹具，将弯管翻转180度，用同样方法重新定位夹紧，对弯管下半部分的第三、第四区域III、IV进行加工进行加工。完成整个弯管外表面的加工后，加工结束。

本发明方法具有的明显效果是，该方法解决了加工弯管外表面的干涉问题，有效降低了切削冲击载荷；在通用三轴机床设备就可以实现弯管类零件的外表面加工，切削状态稳定，工序简单，表面质量好，效率高。适用于加工各类大中小型弯管类零件外表面的加工。

附图说明

附图1是弯管外表面加工和加工区域划分示意图，其中：1是球头刀具；2是弯管零件；a是沿弯管母线加工的刀轨；I是0°～90°的第一区域；II是90°～180°的第二区域；III是180°～270°的第三区域；IV是270°～360°的第四区域。附图2是刀具由下至上的进给方式分析示意图，其中：1是球头刀具，2是弯管零件，I是0°～90°的第一区域。附图3是弯管零件加工流程图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，附图1是弯管外表面加工和加工区域划分示意图，如图所示，加工中刀具切削运动是沿弯管母线a方向，每次走刀运动都是在X-Y平面内完成，进给方式由下到上；加工完弯管的上半部分第一、第二区域I、II后，将弯管翻转180°，重新定位夹紧，继续加工弯管的下半部分第三、第四区域III、IV；具体加工方法步骤如下：

具体实施的加工对象是典型的弯管类零件，外表面光滑无附属结构，直段和弧段相切连接。零件基本尺寸是，弯管内径Φ157mm，外径Φ183mm，弧段弯曲角度为56.4°，两端直段长度均为100mm。弯管零件加工流程见附图3。

(1)加工开始，准备实施条件：UG软件、三轴加工机床、刀具和夹具；

(2)在三轴机床上对弯管进行定位和夹紧，同时在UG CAM模块编制加工程序；

定位与夹紧弯管零件：首先将弯管平放于三轴机床的工作台上，然后利用弯管内表面空间，使用压板压住弯管内表面，但不拧紧螺母，接下来利用弯管端面，通过对刀找到弯管一端的圆心，取该点为加工原点，然后在水平面内调整弯管的位置，使工件在机床坐标系中的位置和三维模型在加工坐标系中的位置保持一致；最后拧紧螺母，夹紧弯管，确保零件在加工过程中不移动位置；

编制外表面加工的程序：本例选用UG软件进行零件造型和加工编程，亦可利用其他通用高端CAD/CAM软件，如CATIA等。

b然后在UG软件的加工模块进行三轴加工编程；弯管外表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管外表面划分的四个加工区域，先加工上半部分的第一、第二区域I、II在加工下半部分的第三、第四区域III、IV；粗、精加工采用不同刀具，粗加工采用大直径D66的刀尖圆角刀，提高效率；半精加工和精加工采用Φ10的球头刀具。但在加工的各个阶段，四个区域都采用同一把刀具，刀轨生成控制设置如下，

①四个加工区域均采用沿弯管母线平行往复走刀方式和由下到上的进给方式。即，刀具切削运动是从弯管一端到另一端的往复切削，进给运动是沿Z轴方向从小到大进给，逐渐进给至弯管最高点终止。见附图2

②根据工件材料、刀具刚性和表面质量的目标预期值等来确定切深a_p、进给量f、转速v_c的值；

粗加工切深3mm，进给步数为200，转速1600r/min；半精加工切深0.5mm，进给步数为500，转速2000r/min；精加工切深0.3mm，进给步数为1000，转速4000r/min；

③设置刀具的非切削运动；确保刀具与工件不发生碰撞，以及切入和切出运动沿表面法向，具体设置为，

进刀时，刀具在安全平面内移动到距离工件一定距离，即逼近距离加上入刀距离，然后沿Z轴降至第一刀切削平面，之后逐步逼近弯管外表面，最后入刀至切削部位，开始切削。逼近距离设置为15mm，入刀距离设置为10mm。退刀时，刀具位于弯管最高点，直接提刀至安全平面即可；

c通过二维和三维动态仿真模拟加工过程，确认整个加工过程没有过切和碰撞等问题，验证刀轨的正确性；

d根据所使用的数控机床对刀轨进行后处理，将工件坐标系下的刀位点坐标转换成五轴机床坐标系中各轴的平动和转动，形成机床能识别的G代码。

(3)通过计算机将后处理的加工程序传输给三轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管上半部分的第一、第二区域I、II，完成后松开夹具，将弯管翻转180度，用同样方法重新定位夹紧，对弯管下半部分的第三、第四区域III、IV进行加工进行加工。

(4)加工结束，完成整个弯管外表面的加工。

(5)加工后的检测表明，外表面整体质量均匀，达到了预期的Ra3.2的表面粗糙度目标。

该方法适用于加工各类相似的弯管类零件外表面，避免了刀具和工件的干涉，有效降低了切削冲击载荷，切削状态稳定，工序简单，表面质量好，效率高。

Claims

1.一种弯管外表面的三轴数控铣削加工方法，加工方法基于UG软件、采用三轴数控加工设备和球头刀具(1)进行加工，其特征是，加工前对弯管零件(2)外表面进行加工区域的划分、刀具轨迹的规划和切削进给方式的优化；对被加工的弯管零件共进行两次装夹定位；加工中刀具切削运动是沿弯管母线(a)方向加工，每次走刀运动都是在X-Y平面内完成，进给方式由下到上；外表面加工按弯管截面各90度均分为上下对称的四个区域，即0°～90°为第一区域(I)、90°～180°为第二区域(II)、180°～270°为第三区域(III)、270°～360°为第四区域(IV)，各区域生成的刀轨均是平行均匀的；加工完弯管的上半部分第一、第二区域(I、II)后，将弯管翻转180°，重新定位夹紧，继续加工弯管的下半部分第三、第四区域(III、IV)；具体加工方法步骤如下：

(2)利用UG的CAM模块编制外表面加工程序；

a首先建立弯管的三维模型，依据弯管上下对称的特征，分为四个加工区域，即第一、第二、第三、第四区域(I、II、III、IV)；

b然后在UG软件的加工模块进行三轴加工编程；弯管外表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管外表面划分的四个加工区域，先加工上半部分的第一、第二区域(I、II)再加工下半部分的第三、第四区域(III、IV)；粗、精加工采用不同的刀具，粗加工采用大直径的圆角刀；半精加工和精加工采用球头刀具；

c刀轨生成控制设置如下，

根据工件材料、刀具刚性和表面质量的目标预期值来确定切深a_p、进给量f、转速v_c的值；四个加工区域均采用沿弯管母线平行往复走刀方式和由下到上的进给方式；即刀具切削运动是从弯管一端到另一端的往复切削，进给运动是沿Z轴方向从小到大进给，逐渐进给至弯管最高点终止；

d通过二维和三维动态仿真模拟加工过程，确认整个加工过程没有过切和碰撞问题，验证刀轨的正确性；

(3)通过计算机将后处理的加工程序传输给三轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管上半部分的第一、第二区域(I、II)，完成后松开夹具，将弯管翻转180度，用同样方法重新定位夹紧，对弯管下半部分的第三、第四区域(III、IV)进行加工；完成整个弯管外表面的加工后，加工结束。