專(zhuān)利名稱(chēng)：一種彎管內(nèi)表面的五軸數(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，特別涉及一種采用五軸數(shù)控銑床加工彎管內(nèi)表面的加工方法。
背景技術(shù)：
UG軟件是一個(gè)以CAD/CAM/CAE —體化而著稱(chēng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、通用機(jī)械等領(lǐng)域。UG作為一款高端的CAD/CAM軟件，在多軸數(shù)控加工各類(lèi)曲面或復(fù)合型面中的應(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(qiáng)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、優(yōu)化刀具軌跡以及合理控制刀軸避免和工件的干涉，最終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(qiáng)大的CAD/CAM功能，更好的為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。對(duì)于彎管類(lèi)零件的表面機(jī)械加工，鑒于其曲面的復(fù)雜性，一直是零件加工的難點(diǎn)。 多數(shù)彎管類(lèi)零件的加工方法是，先制造直管，然后通過(guò)彎管機(jī)來(lái)進(jìn)行彎曲最終成型。這種加工方式免去了對(duì)彎管的復(fù)雜曲面加工，簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。但是，彎制過(guò)程對(duì)表面質(zhì)量有很大的損傷。對(duì)表面質(zhì)量要求高的彎管類(lèi)零件，必須通過(guò)最終的表面機(jī)械加工來(lái)獲取預(yù)期的表面質(zhì)量。這類(lèi)彎管類(lèi)零件的制造方式有兩種，一種是先制造彎管毛坯件，然后進(jìn)行表面機(jī)械加工；另一種是先制造直管，然后彎制，最后再進(jìn)行表面機(jī)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制造，就是通過(guò)鑄造成型或通過(guò)鍛造彎曲后再進(jìn)行表面機(jī)械加工。彎管的內(nèi)表面是一種特殊的復(fù)雜曲面，是一種細(xì)長(zhǎng)異形封閉腔構(gòu)造。內(nèi)表面由于彎曲帶來(lái)的不僅是表面曲率的變化，還有空間區(qū)域的干涉問(wèn)題，加工時(shí)容納刀具的區(qū)域嚴(yán)重受限。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(gè)內(nèi)表面的加工的同時(shí)，避免切削過(guò)程中的切削負(fù)荷的突變，降低給刀具和零件帶來(lái)的沖擊，延長(zhǎng)刀具壽命， 保證加工質(zhì)量。目前國(guó)外沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的彎管內(nèi)表面加工方法及設(shè)備，國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?00910210449. X，煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司的“AP1000核電技術(shù)一回路主管道彎管內(nèi)孔精加工設(shè)備”的專(zhuān)利采用可擺動(dòng)的動(dòng)力鏜削頭，來(lái)完成彎管內(nèi)表面的加工。該設(shè)備采用的方法控制算法簡(jiǎn)單，但由于鏜削動(dòng)力頭的運(yùn)動(dòng)是機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)和角度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，加工精度低；而且該設(shè)備是專(zhuān)用設(shè)備，通用性較差。針對(duì)核電主管道彎頭內(nèi)表面的機(jī)械加工，發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01010100315. 5，煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司的“核電站一回路主管道彎頭內(nèi)孔機(jī)加工專(zhuān)用設(shè)備”的專(zhuān)利是通過(guò)錐齒輪系連接主軸電機(jī)和鏜刀，形成和彎頭彎曲直徑大小一致的彎鏜桿來(lái)進(jìn)行內(nèi)表面的加工。該設(shè)備針對(duì)只有彎曲弧線段的彎管的內(nèi)表面加工，刀具運(yùn)動(dòng)也是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，精度較低，對(duì)連接有直線段的彎管不適用。

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(jī)械加工彎管類(lèi)零件內(nèi)表面十分困難的技術(shù)難題。通過(guò)規(guī)劃刀具軌跡和優(yōu)化工藝過(guò)程，提供了一種實(shí)用高效的彎管內(nèi)表面加工方法。在采用五軸數(shù)控加工設(shè)備和加長(zhǎng)球頭刀具等工具，利用UG軟件對(duì)彎管內(nèi)表面進(jìn)行數(shù)控加工。該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)通用性差，加工精度低的不足。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是加工方法基于UG軟件、采用五軸數(shù)控加工設(shè)備和球頭刀具加工，其特征是，采用加長(zhǎng)球頭刀具1對(duì)彎管零件2內(nèi)表面進(jìn)行加工，加工前要進(jìn)行加工區(qū)域劃分、刀具軌跡規(guī)劃、刀軸與工件的干涉處理；對(duì)被加工的彎管零件進(jìn)行一次裝夾定位；加工中刀具切削運(yùn)動(dòng)是沿彎管內(nèi)表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過(guò)彎管端部的圓心；將內(nèi)表面加工區(qū)域劃分為左右對(duì)稱(chēng)的四個(gè)區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、 III、IV ；加工完彎管的左端第一、第二區(qū)域I、II后，刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管的右端加工第三、第四區(qū)域III、IV ；具體加工方法步驟如下(1)在五軸機(jī)床上對(duì)彎管進(jìn)行定位和夾緊，首先將彎管平放于五軸機(jī)床的工作臺(tái)上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機(jī)床自身的五軸加工球坐標(biāo)系的中心重合；然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置和三維模型在加工坐標(biāo)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(guò)程中不移動(dòng)位置；(2)利用UG的CAM模塊編制內(nèi)表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據(jù)彎管左右對(duì)稱(chēng)的特征，分為四個(gè)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(jìn)行五軸加工編程；彎管內(nèi)表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段；按彎管內(nèi)表面劃分的四個(gè)加工區(qū)域，先加工左端的第一、第二區(qū)域1、11，再加工右端的第三、第四區(qū)域III、IV ；整個(gè)內(nèi)表面加工過(guò)程中，使用同一把加長(zhǎng)的球頭銑刀，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(biāo)預(yù)期值等來(lái)確定切深 、進(jìn)給量f、轉(zhuǎn)速V。的值；直線段采用側(cè)刃切削，走刀方式為沿彎管內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給； 弧線段加工采用朝向固定點(diǎn)的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點(diǎn)為固定點(diǎn)，加工中保證加長(zhǎng)球頭刀具的軸線要通過(guò)此固定點(diǎn)；走刀方式仍為沿內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給；d通過(guò)二維和三維動(dòng)態(tài)仿真模擬加工過(guò)程，確認(rèn)整個(gè)加工過(guò)程沒(méi)有過(guò)切和碰撞等問(wèn)題，驗(yàn)證刀軌的正確性；e根據(jù)所使用的數(shù)控機(jī)床對(duì)刀軌進(jìn)行后處理，將工件坐標(biāo)系下的刀位點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成五軸機(jī)床坐標(biāo)系中各軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，形成機(jī)床能識(shí)別的G代碼；(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)將后處理的加工程序傳輸給五軸機(jī)床，對(duì)彎管進(jìn)行實(shí)際切削加工； 先加工彎管左端的第一、第二區(qū)域I、II，完成后刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管右端，對(duì)彎管的第三、第四區(qū)域III、IV進(jìn)行加工，完成整個(gè)彎管內(nèi)表面的加工，加工結(jié)束。本發(fā)明具有的明顯效果是機(jī)床主軸直接帶動(dòng)刀具進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，保證了運(yùn)動(dòng)軌跡的傳遞準(zhǔn)確性，加工精度易于保證；解決了加工彎管內(nèi)表面的干涉問(wèn)題，有效降低了切削沖擊載荷；同時(shí)該方法的適用條件通用性高，在通用五軸機(jī)床設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)彎管類(lèi)零件的內(nèi)表面加工，突破了必須采用專(zhuān)用設(shè)備的局限。切削狀態(tài)穩(wěn)定，表面質(zhì)量好，效率高。該方法適用于由直線段和弧線段連接構(gòu)成的各類(lèi)彎管類(lèi)零件的內(nèi)表面加工，尤其長(zhǎng)徑比大、彎曲角度大的彎管類(lèi)零件。


附圖1是彎管內(nèi)表面加工示意圖，其中1是加長(zhǎng)球頭刀具；2是彎管零件。
附圖2是彎管內(nèi)表面加工區(qū)域劃分示意圖，其中I是第一區(qū)域，II是第二區(qū)域，III是第三
區(qū)域，IV是第四區(qū)域。
附圖3是彎管零件加工流程圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，附圖1是彎管內(nèi)表面加工示意圖，如圖所示，機(jī)床主軸直接帶動(dòng)加長(zhǎng)球頭刀具1進(jìn)行切削運(yùn)動(dòng)，加工中刀具切削運(yùn)動(dòng)是沿彎管零件2內(nèi)表面圓周方向，保證刀軸中心線始終過(guò)彎管端部的圓心這一固定點(diǎn)；加工完彎管的左端第一、第二區(qū)域I、II后，刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管的右端加工第三、 第四區(qū)域III、IV，見(jiàn)附圖2 ；具體步驟如下，具體實(shí)施的加工對(duì)象是典型的彎管類(lèi)類(lèi)零件，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，外表面光滑無(wú)附屬結(jié)構(gòu)， 直線段和弧線段相切連接。零件基本尺寸是彎管內(nèi)徑Φ 157mm、外徑Φ 183mm、弧線段彎曲角度為56. 4°、兩端直線段長(zhǎng)度均為100mm，見(jiàn)附圖2 ；彎管零件加工流程見(jiàn)附圖3。(1)加工開(kāi)始，準(zhǔn)備實(shí)施條件UG軟件、五軸加工機(jī)床、刀具和夾具；(2)在五軸機(jī)床上對(duì)彎管進(jìn)行定位和夾緊，同時(shí)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五軸機(jī)床的工作臺(tái)上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機(jī)床自身的五軸加工球坐標(biāo)系的中心重合；然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置和三維模型在加工坐標(biāo)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(guò)程中不移動(dòng)位置；編制內(nèi)表面加工的程序本例選用UG軟件進(jìn)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)彎管左右對(duì)稱(chēng)的特征，分為四個(gè)加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、III、IV，見(jiàn)附圖2 ；b然后在UG軟件的加工模塊進(jìn)行五軸加工編程；彎管內(nèi)表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段；按彎管內(nèi)表面劃分的四個(gè)加工區(qū)域，先加工左端的第一、第二區(qū)域1、11，再加工右端的第三、第四區(qū)域III、IV ；整個(gè)內(nèi)表面加工過(guò)程中，使用一把加長(zhǎng)的球頭銑刀，刀軌生成控制設(shè)置如下，①直線段采用側(cè)刃切削，走刀方式為沿彎管內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給；弧線段加工采用朝向固定點(diǎn)的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點(diǎn)為固定點(diǎn)，加工中保證加長(zhǎng)球頭刀具的軸線要通過(guò)此固定點(diǎn)；走刀方式仍為沿內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給；②根據(jù)工件材料、刀具剛性和表面質(zhì)量的目標(biāo)預(yù)期值等來(lái)確定切深ap、進(jìn)給量f、轉(zhuǎn)速V。的值；直線段粗加工切深3mm，進(jìn)給步數(shù)為200，轉(zhuǎn)速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm, 進(jìn)給步數(shù)為500，轉(zhuǎn)速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進(jìn)給步數(shù)為1000，轉(zhuǎn)速3000r/min ；弧線段粗加工切深3mm，進(jìn)給步數(shù)為300，轉(zhuǎn)速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm, 進(jìn)給步數(shù)為600，轉(zhuǎn)速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進(jìn)給步數(shù)為1200，轉(zhuǎn)速3000r/min ；③設(shè)置刀具的非切削運(yùn)動(dòng)；進(jìn)退刀動(dòng)作均沿彎管直線段方向，刀軸和管道直線段平行，進(jìn)刀時(shí)，刀具由直線段的端部圓心點(diǎn)出發(fā)運(yùn)動(dòng)到直線段和弧線段相接部分的圓心點(diǎn)；然后刀具逐步擺動(dòng)到和切削角度一致位置，同時(shí)沿曲面法向逼近工件，逼近距離設(shè)置為 15mm;最后沿曲面法向入刀至切削部位，開(kāi)始切削，入刀距離設(shè)置為10mm。退刀動(dòng)作和進(jìn)刀動(dòng)作相反；c通過(guò)二維和三維動(dòng)態(tài)仿真模擬加工過(guò)程，確認(rèn)整個(gè)加工過(guò)程沒(méi)有過(guò)切和碰撞等問(wèn)題，驗(yàn)證刀軌的正確性；d根據(jù)所使用的數(shù)控機(jī)床對(duì)刀軌進(jìn)行后處理，將工件坐標(biāo)系下的刀位點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成五軸機(jī)床坐標(biāo)系中各軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，形成機(jī)床能識(shí)別的G代碼；(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)將后處理的加工程序傳輸給五軸機(jī)床，對(duì)彎管進(jìn)行實(shí)際切削加工； 先加工彎管左端的第一、第二區(qū)域I、II，完成后刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管右端，對(duì)彎管的第三、第四區(qū)域III、IV進(jìn)行加工；(4)加工結(jié)束，完成整個(gè)彎管內(nèi)表面的加工。(5)加工完成后的檢測(cè)表明，內(nèi)表面整體質(zhì)量均勻，達(dá)到了預(yù)期的Ra3. 2的表面粗糙度目標(biāo)。該方法適用于加工由直線段和弧線段連接構(gòu)成的大中小型的彎管類(lèi)零件內(nèi)表面， 尤其是長(zhǎng)徑比大、彎曲角度大的彎管類(lèi)零件，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，表面質(zhì)量好，效率高。
權(quán)利要求
1. 一種彎管內(nèi)表面的五軸數(shù)控銑削加工方法，加工方法基于UG軟件，采用五軸數(shù)控加工設(shè)備和球頭刀具進(jìn)行加工，其特征是，采用加長(zhǎng)球頭刀具(1)對(duì)彎管零件(2)內(nèi)表面進(jìn)行加工，加工前要進(jìn)行加工區(qū)域劃分、刀具軌跡規(guī)劃和刀軸與工件的干涉處理；對(duì)被加工的彎管零件進(jìn)行一次裝夾定位；加工中刀具切削運(yùn)動(dòng)是沿彎管內(nèi)表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過(guò)彎管端部的圓心；將內(nèi)表面加工區(qū)域劃分為左右對(duì)稱(chēng)的四個(gè)區(qū)域，即第一、第二、 第三、第四區(qū)域(I、II、III、IV)；加工完彎管的左端第一、第二區(qū)域(I、II)后，刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管的右端加工第三、第四區(qū)域(III、IV)；具體加工方法步驟如下(1)在五軸機(jī)床上對(duì)彎管進(jìn)行定位和夾緊，首先將彎管平放于五軸機(jī)床的工作臺(tái)上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對(duì)稱(chēng)的特征，通過(guò)對(duì)刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機(jī)床自身的五軸加工球坐標(biāo)系的中心重合；然后在水平面內(nèi)調(diào)整彎管的位置，使工件在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置和三維模型在加工坐標(biāo)系中的位置一致；最后擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過(guò)程中不移動(dòng)位置；(2)利用UG的CAM模塊編制內(nèi)表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據(jù)彎管左右對(duì)稱(chēng)的特征，分為四個(gè)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(jìn)行五軸加工編程；彎管內(nèi)表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個(gè)階段；按彎管內(nèi)表面劃分的四個(gè)加工區(qū)域，先加工左端的第一、第二區(qū)域 (I、II)，再加工右端的第三、第四區(qū)域(III、IV)；整個(gè)內(nèi)表面加工過(guò)程中，使用同一把加長(zhǎng)的球頭銑刀；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(biāo)預(yù)期值等來(lái)確定切深ap、進(jìn)給量f、轉(zhuǎn)速ν。 的值；直線段采用側(cè)刃切削，走刀方式為沿彎管內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給；弧線段加工采用朝向固定點(diǎn)的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點(diǎn)為固定點(diǎn)，加工中加長(zhǎng)球頭刀具的軸線要通過(guò)此固定點(diǎn)；走刀方式仍為沿內(nèi)表面圓周方向，進(jìn)給方式為螺旋進(jìn)給；d通過(guò)二維和三維動(dòng)態(tài)仿真模擬加工過(guò)程，確認(rèn)整個(gè)加工過(guò)程沒(méi)有過(guò)切和碰撞問(wèn)題，驗(yàn)證刀軌的正確性；e根據(jù)所使用的數(shù)控機(jī)床對(duì)刀軌進(jìn)行后處理，將工件坐標(biāo)系下的刀位點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成五軸機(jī)床坐標(biāo)系中各軸的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，形成機(jī)床能識(shí)別的G代碼；(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)將后處理的加工程序傳輸給五軸機(jī)床，對(duì)彎管進(jìn)行實(shí)際切削加工；先加工彎管左端的第一、第二區(qū)域(I、II)，完成后刀具從彎管內(nèi)退出，移動(dòng)到彎管右端，對(duì)彎管的第三、第四區(qū)域(III、IV)進(jìn)行加工，完成整個(gè)彎管內(nèi)表面的加工后，加工結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明一種彎管內(nèi)表面的五軸數(shù)控銑削加工方法屬于數(shù)控加工領(lǐng)域，特別涉及一種采用五軸數(shù)控銑床加工彎管內(nèi)表面的加工方法。該加工方法基于UG軟件，采用五軸數(shù)控加工設(shè)備和加長(zhǎng)球頭刀具對(duì)彎管零件內(nèi)表面進(jìn)行加工，加工前要進(jìn)行加工區(qū)域劃分、刀具軌跡規(guī)劃、刀軸與工件的干涉處理；先將被加工的彎管零件進(jìn)行一次裝夾定位；加工中刀具切削運(yùn)動(dòng)是沿彎管內(nèi)表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過(guò)彎管端部的圓心。本發(fā)明突破了必須采用專(zhuān)用設(shè)備的局限，切削狀態(tài)穩(wěn)定，表面質(zhì)量好，效率高。該方法解決了加工彎管內(nèi)表面的干涉問(wèn)題，有效降低了切削沖擊載荷；適用于長(zhǎng)徑比大、彎曲角度大的彎管類(lèi)零件加工。
文檔編號(hào)B23C3/00GK102166665SQ201010620479
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)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, 孫建立, 楊連文, 王續(xù)躍, 高航 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)