專利名稱：一種彎管外表面的三軸數(shù)控銑削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工領(lǐng)域，特別涉及一種采用三軸數(shù)控銑床加工彎管外表面的加工方法。
背景技術(shù)：
目前很多的商業(yè)CAD/CAM軟件應(yīng)用于復(fù)雜曲面加工領(lǐng)域。UG是一個以CAD/CAM/ CAE 一體化而著稱的計算機輔助設(shè)計制造系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、通用機械等領(lǐng)域。UG作為一款高端的CAD/CAM軟件，在數(shù)控加工各類曲面或復(fù)合型面中有著極為廣泛的應(yīng)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(chǎn)成本，提高了加工質(zhì)量。UG軟件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干涉，形成合理的刀具軌跡，才能高效優(yōu)質(zhì)的完成零件的加工，才能充分發(fā)揮其強大的CAD/ CAM功能，更好的為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。對于彎管類零件的表面機械加工，鑒于其曲面的復(fù)雜性，一直是零件加工的難點。 多數(shù)彎管類零件的加工方法是，先制造直管，然后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復(fù)雜曲面加工，簡化了制造過程。但是，彎曲過程對表面質(zhì)量有很大的損傷。對表面質(zhì)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(yù)期的表面質(zhì)量。這類彎管類零件的制造方式有兩種，一種是先制造彎管毛坯件，然后進行表面機械加工；另一種是先制造直管，然后彎制，最后再進行表面機械加工，最終得到預(yù)期的表面質(zhì)量。例如核電站主管道的加工制造，就是通過鑄造成型或通過鍛造彎曲后再進行表面機械加工。彎管的外表面是一種特殊的復(fù)雜曲面，是一種細長異形封閉筒構(gòu)造。外表面由于彎曲帶來的不僅是表面曲率的變化，還有空間區(qū)域的干涉問題。其加工工藝要求優(yōu)化刀具路徑，即在刀具容許的空間內(nèi)，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沖擊，延長刀具壽命，保證加工質(zhì)量。目前彎管的外表面經(jīng)鑄造或彎制成型后一般不再進行機械加工，對于一些需要對外表面加工的零件，一般采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(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別是機械加工彎管類零件外表面困難的技術(shù)難題。采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(zhì)量好。通過規(guī)劃刀具軌跡和優(yōu)化工藝過程，提供了一種實用高效的彎管外表面加工方法。采用三軸數(shù)控加工設(shè)備、球頭刀具等工具，利用UG軟件對彎管外表面進行數(shù)控加工。該方法實現(xiàn)了彎管外表面加工，高效實用，方法簡單。本發(fā)明采用的技術(shù)方案，基于UG軟件、采用三軸數(shù)控加工設(shè)備和球頭刀具1進行加工，其特征是，加工前對彎管零件2外表面進行加工區(qū)域的劃分、刀具軌跡的規(guī)劃和切削進給方式的優(yōu)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(nèi)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(qū)域，即0° 90°為第一區(qū)域1、90° 180°為第二區(qū)域11、180° 270°為第三區(qū)域III、270° 360°為第四區(qū)域IV，各區(qū)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(qū)域I、II后，將彎管翻轉(zhuǎn)180°，重新定位夾緊，繼續(xù)加工彎管的下半部分第三、第四區(qū)域III、IV ；具體加工方法步驟如下(1)在三軸機床上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放于三軸機床的工作臺上，然后利用彎管內(nèi)表面空間，使用壓板壓住彎管內(nèi)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，然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機床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；最后擰緊螺母，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(jù)彎管上下對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、III、IV;b然后在UG軟件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(qū)域，先加工上半部分的第一、第二區(qū)域I、II在加工下半部分的第三、第四區(qū)域III、IV ；粗、精加工采用不同的刀具，粗加工采用大直徑D66的刀尖圓角刀；半精加工和精加工采用Φ10的球頭刀具。但在加工中的各個階段，四個區(qū)域都采用同一把刀具；c刀軌生成控制設(shè)置如下，根據(jù)工件材料、刀具剛性和表面質(zhì)量的目標預(yù)期值等來確定切深 、進給量f、轉(zhuǎn)速V。的值；四個加工區(qū)域均采用沿彎管母線平行往復(fù)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(fù)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(tài)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(jù)所使用的數(shù)控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉(zhuǎn)換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉(zhuǎn)動，形成機床能識別的G代碼；(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給三軸機床，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(qū)域I、II，完成后松開夾具，將彎管翻轉(zhuǎn)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(qū)域III、IV進行加工進行加工。完成整個彎管外表面的加工后，加工結(jié)束。本發(fā)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干涉問題，有效降低了切削沖擊載荷；在通用三軸機床設(shè)備就可以實現(xiàn)彎管類零件的外表面加工，切削狀態(tài)穩(wěn)定，工序簡單，表面質(zhì)量好，效率高。適用于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(qū)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(qū)域；II是90° 180°的第二區(qū)域；III是180° 270°的第三區(qū)域；IV是270° 360°的第四區(qū)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(qū)域。
附圖3是彎管零件加工流程圖。
具體實施例方式結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
，附圖1是彎管外表面加工和加工區(qū)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(nèi)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(qū)域I、II 后，將彎管翻轉(zhuǎn)180°，重新定位夾緊，繼續(xù)加工彎管的下半部分第三、第四區(qū)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(jié)構(gòu)，直段和弧段相切連接。零件基本尺寸是，彎管內(nèi)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軟件、三軸加工機床、刀具和夾具；(2)在三軸機床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于三軸機床的工作臺上，然后利用彎管內(nèi)表面空間，使用壓板壓住彎管內(nèi)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，然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機床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；最后擰緊螺母，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軟件進行零件造型和加工編程，亦可利用其他通用高端CAD/CAM軟件，如CATIA等。a首先建立彎管的三維模型，依據(jù)彎管上下對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、III、IV;b然后在UG軟件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(qū)域，先加工上半部分的第一、第二區(qū)域I、II在加工下半部分的第三、第四區(qū)域III、IV ；粗、精加工采用不同刀具，粗加工采用大直徑D66的刀尖圓角刀，提高效率；半精加工和精加工采用Φ10的球頭刀具。但在加工的各個階段，四個區(qū)域都采用同一把刀具，刀軌生成控制設(shè)置如下，①四個加工區(qū)域均采用沿彎管母線平行往復(fù)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(fù)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(jù)工件材料、刀具剛性和表面質(zhì)量的目標預(yù)期值等來確定切深 、進給量f、 轉(zhuǎn)速V。的值；粗加工切深3mm，進給步數(shù)為200，轉(zhuǎn)速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm,進給步數(shù)為500，轉(zhuǎn)速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進給步數(shù)為1000，轉(zhuǎn)速4000r/min ；③設(shè)置刀具的非切削運動；確保刀具與工件不發(fā)生碰撞，以及切入和切出運動沿表面法向，具體設(shè)置為，
進刀時，刀具在安全平面內(nèi)移動到距離工件一定距離，即逼近距離加上入刀距離， 然后沿Z軸降至第一刀切削平面，之后逐步逼近彎管外表面，最后入刀至切削部位，開始切削。逼近距離設(shè)置為15mm，入刀距離設(shè)置為10mm。退刀時，刀具位于彎管最高點，直接提刀至安全平面即可；c通過二維和三維動態(tài)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(jù)所使用的數(shù)控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉(zhuǎn)換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉(zhuǎn)動，形成機床能識別的G代碼。(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給三軸機床，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(qū)域I、II，完成后松開夾具，將彎管翻轉(zhuǎn)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(qū)域III、IV進行加工進行加工。(4)加工結(jié)束，完成整個彎管外表面的加工。(5)加工后的檢測表明，外表面整體質(zhì)量均勻，達到了預(yù)期的Ra3. 2的表面粗糙度目標。該方法適用于加工各類相似的彎管類零件外表面，避免了刀具和工件的干涉，有效降低了切削沖擊載荷，切削狀態(tài)穩(wěn)定，工序簡單，表面質(zhì)量好，效率高。
權(quán)利要求
1. 一種彎管外表面的三軸數(shù)控銑削加工方法，加工方法基于UG軟件、采用三軸數(shù)控加工設(shè)備和球頭刀具(1)進行加工，其特征是，加工前對彎管零件( 外表面進行加工區(qū)域的劃分、刀具軌跡的規(guī)劃和切削進給方式的優(yōu)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(nèi)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(qū)域，即0° 90°為第一區(qū)域(1)、90° 180°為第二區(qū)域(11)、180° 270°為第三區(qū)域(III)、 270° 360°為第四區(qū)域(IV)，各區(qū)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(qū)域(I、II)后，將彎管翻轉(zhuǎn)180°，重新定位夾緊，繼續(xù)加工彎管的下半部分第三、第四區(qū)域(III、IV)；具體加工方法步驟如下(1)在三軸機床上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放于三軸機床的工作臺上，然后利用彎管內(nèi)表面空間，使用壓板壓住彎管內(nèi)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，然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機床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；最后擰緊螺母，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(jù)彎管上下對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域(I、II、III、IV)；b然后在UG軟件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(qū)域，先加工上半部分的第一、第二區(qū)域(I、II)再加工下半部分的第三、第四區(qū)域(III、IV)；粗、精加工采用不同的刀具，粗加工采用大直徑的圓角刀；半精加工和精加工采用球頭刀具； c刀軌生成控制設(shè)置如下，根據(jù)工件材料、刀具剛性和表面質(zhì)量的目標預(yù)期值等來確定切深 、進給量f、轉(zhuǎn)速V。 的值；四個加工區(qū)域均采用沿彎管母線平行往復(fù)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(fù)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(tài)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(jù)所使用的數(shù)控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉(zhuǎn)換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉(zhuǎn)動，形成機床能識別的G代碼；(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給三軸機床，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(qū)域(I、II)，完成后松開夾具，將彎管翻轉(zhuǎn)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(qū)域(III、IV)進行加工；完成整個彎管外表面的加工后，加工結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明一種彎管外表面的三軸數(shù)控銑削加工方法屬于數(shù)控加工領(lǐng)域，特別涉及一種采用三軸數(shù)控銑床加工彎管外表面的加工方法。該加工方法基于UG軟件、采用三軸數(shù)控加工設(shè)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(qū)域的劃分、刀具軌跡的規(guī)劃和切削進給方式的優(yōu)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(qū)域均采用沿彎管母線平行往復(fù)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干涉問題，有效降低了切削沖擊載荷，切削狀態(tài)穩(wěn)定；工序簡單，表面質(zhì)量好，效率高；適用于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(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者劉巍, 孫傳俊, 孫建立, 王續(xù)躍, 馬日光, 高航 申請人:大連理工大學(xué)