CN105499671B - 一种弯管内表面的三轴数控铣削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种弯管内表面的三轴数控铣削方法，使用普通三轴数控机床、圆弧三面刃刀盘和长刀杆对弯管内表面进行铣削加工，包括以下步骤：(1)将所述弯管两端直线部分的内表面铣削加工成直筒面，将弯管弯曲部分的内表面铣削加工成台阶面；(2)以粗加工后所述弯管为毛坯，建立所述弯管的三维模型，并将所述弯管弯曲部分划分为区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ，并分别对每个区域进行刀具轨迹规划；(3)按照所述刀具轨迹对弯管内表面进行实际切削加工。该加工方法不仅突破了五轴数控机床对铣头尺寸的限制，同时相比专用设备通用性高，能够加工各种型号弯管内表面，工艺简单，成本较低。

Description

一种弯管内表面的三轴数控铣削方法
技术领域
本发明涉及弯管表面数控加工技术领域，尤其涉及一种弯管内表面的三轴数控铣削方法。
背景技术
弯管是核电产品中制造难度较大的零件之一。目前，国内弯管的制造主要是弯曲成型和机械加工两种方式。弯曲成型是先制造直管，然后通过弯管机进行弯曲成型，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，但是弯曲成型对表面质量有很大的损伤，受壁厚尺寸和材料性能等条件限制，弯曲成型容易造成弯管内弧材料堆积、外弧材料内部组织损伤，成功率较低。
机械加工是在锻造的弯管毛坯件上通过表面机械加工得到预期的表面质量，机械加工弯管外部曲面较容易，但其内部曲面由于内部空间狭小，刀具运动受限，加工难度较大。
目前，弯管内表面机械加工多采用五轴数控铣削加工方法或使用专用辅助设备加工，五轴数控铣削加工方法需采用五轴数控铣头，五轴数控铣头尺寸一般较大，容易对管壁造成干涉；目前国内专用辅助设备成本高、通用性差，传动机构复杂。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种弯管内表面的三轴数控铣削方法，用以解决现有弯管制造内表面机械加工困难的问题。利用普通的三轴数控机床和刀具，就能够加工弯管内表面，使其达到预期表面质量，设备工艺简单，成本低。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明一种弯管内表面的三轴数控铣削方法，使用普通三轴数控机床、圆弧三面刃刀盘和长刀杆对弯管内表面进行铣削加工，包括以下步骤：
(1)粗加工：将所述弯管两端直线部分的内表面铣削加工成直筒面，将弯管弯曲部分的内表面铣削加工成台阶面；
(2)刀具轨迹规划：以粗加工后所述弯管为毛坯，建立所述弯管的三维模型，并将所述弯管弯曲部分划分为区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ，并分别对每个区域进行刀具轨迹规划：
所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ刀具轨迹：从端面中心点进刀，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃、侧刃和背刃逐层切削加工所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ内表面，其中每层切削厚度为1mm；
所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ刀具轨迹：从端面中心点进刀，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃和侧刃逐层切削加工所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ的外弧内表面，其中每层切削厚度为1mm；
所述区域Ⅴ刀具轨迹：在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅴ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刀、侧刀和背刀逐层切削加工所述区域Ⅴ，其中每层切削厚度为1mm；
清理残留毛坯刀具轨迹：在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向三轴联动走刀，步距1mm，清理区域V残留毛坯；
(3)按照所述刀具轨迹对弯管内表面进行实际切削加工。
进一步地，步骤(1)所述铣削加工包括圆周铣削或车削。
进一步地，步骤(2)区域V刀具轨迹和清理残留毛坯刀具轨迹中，所述旋转刀轴时，初次进刀方式为折线进刀，最终退刀方式为折线退刀，以防止刀具和管口的干涉。
进一步地，在步骤(3)之前将步骤(2)所述刀具轨迹进行动态模拟仿真，确认整个加工过程没有过切和碰撞的问题，保证所述刀具轨迹的正确性。
进一步地，步骤(3)所述实际切削加工分半精加工和精加工。
进一步地，步骤(3)所述实际切削加工按照区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ的顺序依次进行。
本发明有益效果如下：
本发明提供的一种弯管内表面的三轴数控铣削方法，利用普通的三轴数控机床加工设备及道具，就可以实现对弯管内表面的机械加工工艺，不仅突破五轴数控机床对铣头尺寸的限制，同时相比专用设备通用性高，能够加工各种型号弯管内表面加工，适用于90°弯管内表面加工，工艺简单，成本较低。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为弯管内表面加工示意图；
图2为粗加工后毛坯结构示意图；
图3为弯管弯曲部分区域划分示意图；
图4为区域Ⅲ刀具轨迹示意图；
图5为区域Ⅳ刀具轨迹示意图；
图6为区域Ⅴ刀具轨迹示意图；
图7为清理残留毛坯刀具轨迹示意图；
图8为折线进刀示意图；
其中：1弯管、2圆弧三面刃刀盘、3长刀杆、4机床主轴。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
以90°弯管实心铸件为例，将所述90°弯管实心铸件加工成内孔直径为Φ310mm的90°弯管；其中90°弯管包括长端直段、短端直段和90°弯曲弧段，长端直段445mm，短端直段70mm，弯曲半径R255mm。
采用三轴卧式数控铣镗床，型号为意大利PAMA SPEEDRAM 2000。
采用长刀杆3连接圆弧三面刃刀盘2对弯管1内表面进行加工，如图1所示，具体方法如下：
1、粗加工：在三轴卧式数控铣镗床上，将弯管定位和夹紧，回转工作台，采用圆周铣削的方式，分别从长端直段和短端直段的管口进刀将直段部分加工成直筒面、弯曲部分加工成台阶面，如图2所示。
2、以粗加工后弯管为毛坯，以最终尺寸弯管为部件，利用NX8.5软件对所述毛坯和部件进行三维建模，将部件的弯曲部分划分为区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ五个区域，如图3所示；每个区域的刀具轨迹进行规划，然后用软件编程自动成每个区域的刀具轨迹，具体为：
区域Ⅰ：从长端直段端面中心点进刀，利用软件的“型腔铣”功能，取消切削参数选项卡中的“容错加工”，允许刀具使用背刃切削，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅰ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃、侧刃和背刃逐层切削加工区域Ⅰ内表面，其中每层切削厚度为1mm；
区域Ⅱ：从长端直段端面中心点进刀，利用软件的“型腔铣”功能，勾选切削参数选项卡中的“容错加工”，禁止刀具使用背刃切削，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅱ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃和侧刃逐层切削加工所述区域Ⅱ的外弧内表面，其中每层切削厚度为1mm；
区域Ⅲ：回转工作台，从短端直段端面中心点进刀，利用软件的“型腔铣”功能，取消切削参数选项卡中的“容错加工”，允许刀具使用背刃切削，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅲ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃、侧刃和背刃逐层切削加工所述区域Ⅲ内表面，其中每层切削厚度为1mm，如图4所示。
区域Ⅳ：从短端直段端面中心点进刀，利用软件的“型腔铣”功能，勾选切削参数选项卡中的“容错加工”，禁止刀具使用背刃切削，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅳ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃和侧刃逐层切削加工所述区域Ⅳ的外弧内表面，其中每层切削厚度为1mm，如图5所示。
区域Ⅴ：利用软件的“型腔铣”功能，取消切削参数选项卡中的“容错加工”，允许刀具使用背刃切削，在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅴ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刀、侧刀和背刀逐层切削加工所述区域Ⅴ，其中每层切削厚度为1mm，如图6所示。
清理残留毛坯刀具轨迹：利用软件“固定轴曲面轮廓铣”功能，采用“曲面区域驱动”的方法设置“驱动几何体”，在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向三轴联动走刀，步距1mm，清理V区域残留毛坯，如图7所示。
3、将刀具轨迹进行二维和三维的动态模拟仿真，模拟整个加工过程，确认整个加工过程没有过切和碰撞的问题，验证刀具轨迹的正确性。
4、将刀具轨迹后处理，形成机床能识别的G代码，为了防止旋转刀轴时刀轴与管口的干涉，将区域Ⅴ和清理残留毛坯刀具轨迹的初次进刀和最终退刀方式修改为折线进刀和折线退刀，如图8所示。
5、将G代码输入机床，对弯管进行实际切削加工，先从长端直段进刀加工区域Ⅰ和区域Ⅱ，然后回转工作台，从短端直段进刀加工区域Ⅲ、区域Ⅳ和区域Ⅴ，加工分为半精加工和精加工，每层切削深度为1mm，进给速度为100～200mm/min，转速为100～300r/min。
本发明实施例提供了一种弯管内表面的三轴数控铣削加工方法，利用普通的三轴数控机床加工设备及刀具，就可以实现对弯管内表面的机械加工工艺，不仅突破五轴数控铣头对尺寸的限制，同时相比专用设备通用性高，能够加工各种型号弯管内表面，工艺简单，成本较低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种弯管内表面的三轴数控铣削方法，使用普通三轴数控机床、圆弧三面刃刀盘和长刀杆对弯管内表面进行铣削加工，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粗加工：将所述弯管两端直线部分的内表面铣削加工成直筒面，将弯管弯曲部分的内表面铣削加工成台阶面；
(2)刀具轨迹规划：以粗加工后所述弯管为毛坯，建立所述弯管的三维模型，并将所述弯管弯曲部分划分为区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ，并分别对每个区域进行刀具轨迹规划：
所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ刀具轨迹：从端面中心点进刀，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃、侧刃和背刃逐层切削加工所述区域Ⅰ和所述区域Ⅲ内表面，其中每层切削厚度为1mm；
所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ刀具轨迹：从端面中心点进刀，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刃和侧刃逐层切削加工所述区域Ⅱ和所述区域Ⅳ的外弧内表面，其中每层切削厚度为1mm；
所述区域Ⅴ刀具轨迹：在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向进给，走刀方式为沿所述区域Ⅴ的截面轮廓顺铣走刀，使用所述圆弧三面刃刀盘的前刀、侧刀和背刀逐层切削加工所述区域Ⅴ，其中每层切削厚度为1mm；
清理残留毛坯刀具轨迹：在保证所述长刀杆不与管壁碰触的前提下，多次旋转刀轴，沿刀轴逆向三轴联动走刀，步距1mm，清理区域V残留毛坯；
(3)按照所述刀具轨迹对弯管内表面进行实际切削加工。
2.根据权利要求1所述弯管内表面的三轴数控铣削方法，其特征在于，步骤(1)所述铣削加工包括圆周铣削。
3.根据权利要求1所述弯管内表面的三轴数控铣削方法，其特征在于，步骤(2)区域V刀具轨迹和清理残留毛坯刀具轨迹中，所述旋转刀轴时，初次进刀方式为折线进刀，最终退刀方式为折线退刀。
4.根据权利要求1所述弯管内表面的三轴数控铣削方法，其特征在于，在步骤(3)之前将步骤(2)所述刀具轨迹进行动态模拟仿真。
5.根据权利要求1所述弯管内表面的三轴数控铣削方法，其特征在于，步骤(3)所述实际切削加工分半精加工和精加工。
6.根据权利要求1所述弯管内表面的三轴数控铣削方法，其特征在于，步骤(3)所述实际切削加工按照区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ、区域Ⅴ的顺序依次进行。
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