CN102166665A - 一种弯管内表面的五轴数控铣削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种弯管内表面的五轴数控铣削加工方法属于数控加工领域，特别涉及一种采用五轴数控铣床加工弯管内表面的加工方法。该加工方法基于UG软件，采用五轴数控加工设备和加长球头刀具对弯管零件内表面进行加工，加工前要进行加工区域划分、刀具轨迹规划、刀轴与工件的干涉处理；先将被加工的弯管零件进行一次装夹定位；加工中刀具切削运动是沿弯管内表面圆周方向，始终保证刀轴中心线过弯管端部的圆心。本发明突破了必须采用专用设备的局限，切削状态稳定，表面质量好，效率高。该方法解决了加工弯管内表面的干涉问题，有效降低了切削冲击载荷；适用于长径比大、弯曲角度大的弯管类零件加工。

Description

一种弯管内表面的五轴数控铣削加工方法

技术领域

本发明属于数控加工领域，特别涉及一种采用五轴数控铣床加工弯管内表面的加工方法。

背景技术

UG软件是一个以CAD/CAM/CAE一体化而著称的计算机辅助设计制造系统，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，在多轴数控加工各类曲面或复合型面中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、优化刀具轨迹以及合理控制刀轴避免和工件的干涉，最终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，弯制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。

弯管的内表面是一种特殊的复杂曲面，是一种细长异形封闭腔构造。内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，加工时容纳刀具的区域严重受限。其加工工艺要求优化刀具路径，即在刀具容许的空间内，完成整个内表面的加工的同时，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。目前国外没有公开发表的弯管内表面加工方法及设备，国内发明专利申请号为200910210449.X，烟台台海玛努尔核电设备有限公司的“AP1000核电技术一回路主管道弯管内孔精加工设备”的专利采用可摆动的动力镗削头，来完成弯管内表面的加工。该设备采用的方法控制算法简单，但由于镗削动力头的运动是机床主轴运动和角度调节步进电机运动的复合运动，加工精度低；而且该设备是专用设备，通用性较差。针对核电主管道弯头内表面的机械加工，发明专利申请号为201010100315.5，烟台台海玛努尔核电设备有限公司的“核电站一回路主管道弯头内孔机加工专用设备”的专利是通过锥齿轮系连接主轴电机和镗刀，形成和弯头弯曲直径大小一致的弯镗杆来进行内表面的加工。该设备针对只有弯曲弧线段的弯管的内表面加工，刀具运动也是复合运动，传动机构复杂，精度较低，对连接有直线段的弯管不适用。

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内表面十分困难的技术难题。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内表面加工方法。在采用五轴数控加工设备和加长球头刀具等工具，利用UG软件对弯管内表面进行数控加工。该方法克服了现有技术通用性差，加工精度低的不足。

本发明采用的技术方案是加工方法基于UG软件、采用五轴数控加工设备和球头刀具加工，其特征是，采用加长球头刀具1对弯管零件2内表面进行加工，加工前要进行加工区域划分、刀具轨迹规划、刀轴与工件的干涉处理；对被加工的弯管零件进行一次装夹定位；加工中刀具切削运动是沿弯管内表面圆周方向，始终保证刀轴中心线过弯管端部的圆心；将内表面加工区域划分为左右对称的四个区域，即第一、第二、第三、第四区域I、II、III、IV；加工完弯管的左端第一、第二区域I、II后，刀具从弯管内退出，移动到弯管的右端加工第三、第四区域III、IV；具体加工方法步骤如下：

(1)在五轴机床上对弯管进行定位和夹紧，首先将弯管平放于五轴机床的工作台上，用压板压住弯管外表面，但不拧紧螺母；然后利用弯管对称的特点，通过对刀找到弯管的几何中心，使该几何中心和机床自身的五轴加工球坐标系的中心重合；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模块编制内表面加工程序；

a首先建立弯管的三维模型，依据弯管左右对称的特征，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五轴加工编程；弯管内表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管内表面划分的四个加工区域，先加工左端的第一、第二区域I、II，再加工右端的第三、第四区域III、IV；整个内表面加工过程中，使用同一把加长的球头铣刀，

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；

直线段采用侧刃切削，走刀方式为沿弯管内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；弧线段加工采用朝向固定点的刀轴控制方式，选取弯管端部的圆心点为固定点，加工中保证加长球头刀具的轴线要通过此固定点；走刀方式仍为沿内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；

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五轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管左端的第一、第二区域I、II，完成后刀具从弯管内退出，移动到弯管右端，对弯管的第三、第四区域III、IV进行加工，完成整个弯管内表面的加工，加工结束。

本发明具有的明显效果是机床主轴直接带动刀具进行切削运动，保证了运动轨迹的传递准确性，加工精度易于保证；解决了加工弯管内表面的干涉问题，有效降低了切削冲击载荷；同时该方法的适用条件通用性高，在通用五轴机床设备就可以实现弯管类零件的内表面加工，突破了必须采用专用设备的局限。切削状态稳定，表面质量好，效率高。该方法适用于由直线段和弧线段连接构成的各类弯管类零件的内表面加工，尤其长径比大、弯曲角度大的弯管类零件。

附图说明

附图1是弯管内表面加工示意图，其中：1是加长球头刀具；2是弯管零件。附图2是弯管内表面加工区域划分示意图，其中I是第一区域，II是第二区域，III是第三区域，IV是第四区域。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是弯管内表面加工示意图，如图所示，机床主轴直接带动加长球头刀具1进行切削运动，加工中刀具切削运动是沿弯管零件2内表面圆周方向，保证刀轴中心线始终过弯管端部的圆心这一固定点；加工完弯管的左端第一、第二区域I、II后，刀具从弯管内退出，移动到弯管的右端加工第三、第四区域III、IV，见附图2；具体步骤如下，

具体实施的加工对象是典型的弯管类类零件，结构对称，外表面光滑无附属结构，直线段和弧线段相切连接。零件基本尺寸是弯管内径Φ157mm、外径Φ183mm、弧线段弯曲角度为56.4°、两端直线段长度均为100mm，见附图2；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、五轴加工机床、刀具和夹具；

(2)在五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：首先将弯管平放于五轴机床的工作台上，用压板压住弯管外表面，但不拧紧螺母；然后利用弯管对称的特点，通过对刀找到弯管的几何中心，使该几何中心和机床自身的五轴加工球坐标系的中心重合；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；

编制内表面加工的程序：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。

a首先建立弯管的三维模型，依据弯管左右对称的特征，分为四个加工区域，即第一、第二、第三、第四区域I、II、III、IV，见附图2；

b然后在UG软件的加工模块进行五轴加工编程；弯管内表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管内表面划分的四个加工区域，先加工左端的第一、第二区域I、II，再加工右端的第三、第四区域III、IV；整个内表面加工过程中，使用一把加长的球头铣刀，刀轨生成控制设置如下，

①直线段采用侧刃切削，走刀方式为沿弯管内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；弧线段加工采用朝向固定点的刀轴控制方式，选取弯管端部的圆心点为固定点，加工中保证加长球头刀具的轴线要通过此固定点；走刀方式仍为沿内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；

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；

直线段：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3000r/min；

弧线段：粗加工切深3mm，进给步数为300，转速1600r/min；半精加工切深0.5mm，进给步数为600，转速2000r/min；精加工切深0.3mm，进给步数为1200，转速3000r/min；

③设置刀具的非切削运动；进退刀动作均沿弯管直线段方向，刀轴和管道直线段平行，进刀时，刀具由直线段的端部圆心点出发运动到直线段和弧线段相接部分的圆心点；然后刀具逐步摆动到和切削角度一致位置，同时沿曲面法向逼近工件，逼近距离设置为15mm；最后沿曲面法向入刀至切削部位，开始切削，入刀距离设置为10mm。退刀动作和进刀动作相反；

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五轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管左端的第一、第二区域I、II，完成后刀具从弯管内退出，移动到弯管右端，对弯管的第三、第四区域III、IV进行加工；

(4)加工结束，完成整个弯管内表面的加工。

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

该方法适用于加工由直线段和弧线段连接构成的大中小型的弯管类零件内表面，尤其是长径比大、弯曲角度大的弯管类零件，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，表面质量好，效率高。

Claims (1)

1.一种弯管内表面的五轴数控铣削加工方法，加工方法基于UG软件，采用五轴数控加工设备和球头刀具进行加工，其特征是，采用加长球头刀具(1)对弯管零件(2)内表面进行加工，加工前要进行加工区域划分、刀具轨迹规划和刀轴与工件的干涉处理；对被加工的弯管零件进行一次装夹定位；加工中刀具切削运动是沿弯管内表面圆周方向，始终保证刀轴中心线过弯管端部的圆心；将内表面加工区域划分为左右对称的四个区域，即第一、第二、第三、第四区域(I、II、III、IV)；加工完弯管的左端第一、第二区域(I、II)后，刀具从弯管内退出，移动到弯管的右端加工第三、第四区域(III、IV)；具体加工方法步骤如下：

(1)在五轴机床上对弯管进行定位和夹紧，首先将弯管平放于五轴机床的工作台上，用压板压住弯管外表面，但不拧紧螺母；然后利用弯管对称的特征，通过对刀找到弯管的几何中心，使该几何中心和机床自身的五轴加工球坐标系的中心重合；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模块编制内表面加工程序；

a首先建立弯管的三维模型，依据弯管左右对称的特征，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五轴加工编程；弯管内表面加工分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段；按弯管内表面划分的四个加工区域，先加工左端的第一、第二区域(I、II)，再加工右端的第三、第四区域(III、IV)；整个内表面加工过程中，使用同一把加长的球头铣刀；

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；

直线段采用侧刃切削，走刀方式为沿弯管内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；弧线段加工采用朝向固定点的刀轴控制方式，选取弯管端部的圆心点为固定点，加工中加长球头刀具的轴线要通过此固定点；走刀方式仍为沿内表面圆周方向，进给方式为螺旋进给；

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；

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五轴机床，对弯管进行实际切削加工；先加工弯管左端的第一、第二区域(I、II)，完成后刀具从弯管内退出，移动到弯管右端，对弯管的第三、第四区域(III、IV)进行加工，完成整个弯管内表面的加工后，加工结束。

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