一種彎管外表面的三軸數控銑削加工方法
2023-06-04 02:41:26 3
專利名稱：一種彎管外表面的三軸數控銑削加工方法
技術領域：
本發明屬於數控加工領域，特別涉及一種採用三軸數控銑床加工彎管外表面的加工方法。
背景技術：
目前很多的商業CAD/CAM軟體應用於複雜曲面加工領域。UG是一個以CAD/CAM/ CAE 一體化而著稱的計算機輔助設計製造系統，目前已廣泛應用於航空、航天、汽車、通用機械等領域。UG作為一款高端的CAD/CAM軟體，在數控加工各類曲面或複合型面中有著極為廣泛的應用，不僅提高了效率，而且提高了程序的正確性和安全性，降低了生產成本，提高了加工質量。UG軟體的加工模塊功能十分強大，刀軌生成方式有多種，例如平行走刀、螺旋走刀、跟隨工件周邊方式等等。選擇合適的軌跡生成方式，合理控制刀軸避免和工件的幹涉，形成合理的刀具軌跡，才能高效優質的完成零件的加工，才能充分發揮其強大的CAD/ CAM功能，更好的為工業生產服務。對於彎管類零件的表面機械加工，鑑於其曲面的複雜性，一直是零件加工的難點。 多數彎管類零件的加工方法是，先製造直管，然後通過彎管機來進行彎曲最終成型。這種加工方式免去了對彎管的複雜曲面加工，簡化了製造過程。但是，彎曲過程對表面質量有很大的損傷。對表面質量要求高的彎管類零件，必須通過最終的表面機械加工來獲取預期的表面質量。這類彎管類零件的製造方式有兩種，一種是先製造彎管毛坯件，然後進行表面機械加工；另一種是先製造直管，然後彎制，最後再進行表面機械加工，最終得到預期的表面質量。例如核電站主管道的加工製造，就是通過鑄造成型或通過鍛造彎曲後再進行表面機械加工。彎管的外表面是一種特殊的複雜曲面，是一種細長異形封閉筒構造。外表面由於彎曲帶來的不僅是表面曲率的變化，還有空間區域的幹涉問題。其加工工藝要求優化刀具路徑，即在刀具容許的空間內，完成整個外表面的加工的同時，避免切削過程中的切削負荷的突變，降低給刀具和零件帶來的衝擊，延長刀具壽命，保證加工質量。目前彎管的外表面經鑄造或彎製成型後一般不再進行機械加工，對於一些需要對外表面加工的零件，一般採用的方法是沿彎管截面走刀方式，效率較低，而且連接處易留下毛刺，影響整體質量。
發明內容
本發明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，特別是機械加工彎管類零件外表面困難的技術難題。採用的方法是沿彎管母線走刀方式加工，效率高，而且連接處無毛刺，整體質量好。通過規劃刀具軌跡和優化工藝過程，提供了一種實用高效的彎管外表面加工方法。採用三軸數控加工設備、球頭刀具等工具，利用UG軟體對彎管外表面進行數控加工。該方法實現了彎管外表面加工，高效實用，方法簡單。本發明採用的技術方案，基於UG軟體、採用三軸數控加工設備和球頭刀具1進行加工，其特徵是，加工前對彎管零件2外表面進行加工區域的劃分、刀具軌跡的規劃和切削進給方式的優化；對被加工的彎管零件共進行兩次裝夾定位；加工中刀具切削運動是沿彎管母線方向，每次走刀運動都是在X-Y平面內完成，進給方式由下到上；外表面加工按彎管截面各90度均分為上下對稱的四個區域，即0° 90°為第一區域1、90° 180°為第二區域11、180° 270°為第三區域III、270° 360°為第四區域IV，各區域生成的刀軌均是平行均勻的；加工完彎管的上半部分第一、第二區域I、II後，將彎管翻轉180°，重新定位夾緊，繼續加工彎管的下半部分第三、第四區域III、IV ；具體加工方法步驟如下(1)在三軸工具機上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放於三軸工具機的工作檯上，然後利用彎管內表面空間，使用壓板壓住彎管內表面，但不擰緊螺母，接下來利用彎管端面，通過對刀找到彎管一端的圓心，取該點為加工原點，然後在水平面內調整彎管的位置，使工件在工具機坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置保持一致；最後擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；(2)利用UG的CAM模塊編制外表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據彎管上下對稱的特徵，分為四個加工區域，即第一、第二、第三、第四區域I、II、III、IV;b然後在UG軟體的加工模塊進行三軸加工編程；彎管外表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管外表面劃分的四個加工區域，先加工上半部分的第一、第二區域I、II在加工下半部分的第三、第四區域III、IV ；粗、精加工採用不同的刀具，粗加工採用大直徑D66的刀尖圓角刀；半精加工和精加工採用Φ10的球頭刀具。但在加工中的各個階段，四個區域都採用同一把刀具；c刀軌生成控制設置如下，根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深 、進給量f、轉速V。的值；四個加工區域均採用沿彎管母線平行往復走刀方式和由下到上的進給方式。即刀具切削運動是從彎管一端到另一端的往復切削，進給運動是沿Z軸方向從小到大進給， 逐漸進給至彎管最高點終止。d通過二維和三維動態仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞等問題，驗證刀軌的正確性；e根據所使用的數控工具機對刀軌進行後處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸工具機坐標系中各軸的平動和轉動，形成工具機能識別的G代碼；(3)通過計算機將後處理的加工程序傳輸給三軸工具機，對彎管進行實際切削加工； 先加工彎管上半部分的第一、第二區域I、II，完成後鬆開夾具，將彎管翻轉180度，用同樣方法重新定位夾緊，對彎管下半部分的第三、第四區域III、IV進行加工進行加工。完成整個彎管外表面的加工後，加工結束。本發明方法具有的明顯效果是，該方法解決了加工彎管外表面的幹涉問題，有效降低了切削衝擊載荷；在通用三軸工具機設備就可以實現彎管類零件的外表面加工，切削狀態穩定，工序簡單，表面質量好，效率高。適用於加工各類大中小型彎管類零件外表面的加工。
附圖1是彎管外表面加工和加工區域劃分示意圖，其中1是球頭刀具；2是彎管零件；a是沿彎管母線加工的刀軌；I是0° 90°的第一區域；II是90° 180°的第二區域；III是180° 270°的第三區域；IV是270° 360°的第四區域。
附圖2是刀具由下至上的進給方式分析示意圖，其中1是球頭刀具，2是彎管零件，I是
0° 90°的第一區域。
附圖3是彎管零件加工流程圖。
具體實施例方式結合附圖和技術方案詳細說明本發明的具體實施方式
，附圖1是彎管外表面加工和加工區域劃分示意圖，如圖所示，加工中刀具切削運動是沿彎管母線a方向，每次走刀運動都是在X-Y平面內完成，進給方式由下到上；加工完彎管的上半部分第一、第二區域I、II 後，將彎管翻轉180°，重新定位夾緊，繼續加工彎管的下半部分第三、第四區域III、IV ；具體加工方法步驟如下具體實施的加工對象是典型的彎管類零件，外表面光滑無附屬結構，直段和弧段相切連接。零件基本尺寸是，彎管內徑0157讓，外徑0183111111，弧段彎曲角度為56.4°，兩端直段長度均為100mm。彎管零件加工流程見附圖3。(1)加工開始，準備實施條件UG軟體、三軸加工工具機、刀具和夾具；(2)在三軸工具機上對彎管進行定位和夾緊，同時在UG CAM模塊編制加工程序；定位與夾緊彎管零件首先將彎管平放於三軸工具機的工作檯上，然後利用彎管內表面空間，使用壓板壓住彎管內表面，但不擰緊螺母，接下來利用彎管端面，通過對刀找到彎管一端的圓心，取該點為加工原點，然後在水平面內調整彎管的位置，使工件在工具機坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置保持一致；最後擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；編制外表面加工的程序本例選用UG軟體進行零件造型和加工編程，亦可利用其他通用高端CAD/CAM軟體，如CATIA等。a首先建立彎管的三維模型，依據彎管上下對稱的特徵，分為四個加工區域，即第一、第二、第三、第四區域I、II、III、IV;b然後在UG軟體的加工模塊進行三軸加工編程；彎管外表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管外表面劃分的四個加工區域，先加工上半部分的第一、第二區域I、II在加工下半部分的第三、第四區域III、IV ；粗、精加工採用不同刀具，粗加工採用大直徑D66的刀尖圓角刀，提高效率；半精加工和精加工採用Φ10的球頭刀具。但在加工的各個階段，四個區域都採用同一把刀具，刀軌生成控制設置如下，①四個加工區域均採用沿彎管母線平行往復走刀方式和由下到上的進給方式。 即，刀具切削運動是從彎管一端到另一端的往復切削，進給運動是沿Z軸方向從小到大進給，逐漸進給至彎管最高點終止。見附圖2②根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深 、進給量f、 轉速V。的值；粗加工切深3mm，進給步數為200，轉速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm,進給步數為500，轉速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進給步數為1000，轉速4000r/min ；③設置刀具的非切削運動；確保刀具與工件不發生碰撞，以及切入和切出運動沿表面法向，具體設置為，
進刀時，刀具在安全平面內移動到距離工件一定距離，即逼近距離加上入刀距離， 然後沿Z軸降至第一刀切削平面，之後逐步逼近彎管外表面，最後入刀至切削部位，開始切削。逼近距離設置為15mm，入刀距離設置為10mm。退刀時，刀具位於彎管最高點，直接提刀至安全平面即可；c通過二維和三維動態仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞等問題，驗證刀軌的正確性；d根據所使用的數控工具機對刀軌進行後處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸工具機坐標系中各軸的平動和轉動，形成工具機能識別的G代碼。(3)通過計算機將後處理的加工程序傳輸給三軸工具機，對彎管進行實際切削加工； 先加工彎管上半部分的第一、第二區域I、II，完成後鬆開夾具，將彎管翻轉180度，用同樣方法重新定位夾緊，對彎管下半部分的第三、第四區域III、IV進行加工進行加工。(4)加工結束，完成整個彎管外表面的加工。(5)加工後的檢測表明，外表面整體質量均勻，達到了預期的Ra3. 2的表面粗糙度目標。該方法適用於加工各類相似的彎管類零件外表面，避免了刀具和工件的幹涉，有效降低了切削衝擊載荷，切削狀態穩定，工序簡單，表面質量好，效率高。
權利要求
1. 一種彎管外表面的三軸數控銑削加工方法，加工方法基於UG軟體、採用三軸數控加工設備和球頭刀具(1)進行加工，其特徵是，加工前對彎管零件( 外表面進行加工區域的劃分、刀具軌跡的規劃和切削進給方式的優化；對被加工的彎管零件共進行兩次裝夾定位； 加工中刀具切削運動是沿彎管母線(a)方向加工，每次走刀運動都是在X-Y平面內完成， 進給方式由下到上；外表面加工按彎管截面各90度均分為上下對稱的四個區域，即0° 90°為第一區域(1)、90° 180°為第二區域(11)、180° 270°為第三區域(III)、 270° 360°為第四區域(IV)，各區域生成的刀軌均是平行均勻的；加工完彎管的上半部分第一、第二區域(I、II)後，將彎管翻轉180°，重新定位夾緊，繼續加工彎管的下半部分第三、第四區域(III、IV)；具體加工方法步驟如下(1)在三軸工具機上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放於三軸工具機的工作檯上，然後利用彎管內表面空間，使用壓板壓住彎管內表面，但不擰緊螺母，接下來利用彎管端面， 通過對刀找到彎管一端的圓心，取該點為加工原點，然後在水平面內調整彎管的位置，使工件在工具機坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置保持一致；最後擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；(2)利用UG的CAM模塊編制外表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據彎管上下對稱的特徵，分為四個加工區域，即第一、第二、第三、第四區域(I、II、III、IV)；b然後在UG軟體的加工模塊進行三軸加工編程；彎管外表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管外表面劃分的四個加工區域，先加工上半部分的第一、第二區域(I、II)再加工下半部分的第三、第四區域(III、IV)；粗、精加工採用不同的刀具，粗加工採用大直徑的圓角刀；半精加工和精加工採用球頭刀具； c刀軌生成控制設置如下，根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深 、進給量f、轉速V。 的值；四個加工區域均採用沿彎管母線平行往復走刀方式和由下到上的進給方式；即刀具切削運動是從彎管一端到另一端的往復切削，進給運動是沿Z軸方向從小到大進給，逐漸進給至彎管最高點終止；d通過二維和三維動態仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞問題，驗證刀軌的正確性；e根據所使用的數控工具機對刀軌進行後處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸工具機坐標系中各軸的平動和轉動，形成工具機能識別的G代碼；(3)通過計算機將後處理的加工程序傳輸給三軸工具機，對彎管進行實際切削加工；先加工彎管上半部分的第一、第二區域(I、II)，完成後鬆開夾具，將彎管翻轉180度，用同樣方法重新定位夾緊，對彎管下半部分的第三、第四區域(III、IV)進行加工；完成整個彎管外表面的加工後，加工結束。
全文摘要
本發明一種彎管外表面的三軸數控銑削加工方法屬於數控加工領域，特別涉及一種採用三軸數控銑床加工彎管外表面的加工方法。該加工方法基於UG軟體、採用三軸數控加工設備和球頭刀具進行加工，加工前對彎管零件外表面進行加工區域的劃分、刀具軌跡的規劃和切削進給方式的優化；對被加工的彎管零件共進行兩次裝夾定位；利用UG的CAM模塊編制外表面加工程序；四個加工區域均採用沿彎管母線平行往復走刀方式和由下到上的進給方式；該方法解決了加工彎管外表面的幹涉問題，有效降低了切削衝擊載荷，切削狀態穩定；工序簡單，表面質量好，效率高；適用於加工各類大中小型彎管類零件外表面的加工。
文檔編號G05B19/4097GK102156441SQ20101062047
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者劉巍, 孫傳俊, 孫建立, 王續躍, 馬日光, 高航 申請人:大連理工大學