CN112191898B - 一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明加工方法通过构建半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法解决了半圆柱型腔粗加工中高能耗的问题，该方法克服了现有加工方法中需建立刀具组合优化模型要受刀具数量限制的问题，整个加工中只用一把仿形铣刀沿所构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的轮廓进行zig‑zag深度切削，较常规型腔铣而言，简化了刀轨，减少了刀具运行时的切削时间与换刀期间的空载时间，提高了单位时间内毛坯体积的切除量，降低了能耗；采用现有加工方法对半圆柱型腔进行粗加工需要8小时，能耗大；而采用本发明加工方法对半圆柱型腔进行粗加工仅需要1小时，降低了加工能耗。

Description

一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法

技术领域

本发明涉及一种型腔的数控加工方法，特别是涉及一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法。

背景技术

参见图10、表4，文献“面向低能耗的型腔加工刀具组合优化模型，学术论坛， 2017年11月第11期”公开了一种面向低能耗型腔加工刀具的最优组合方法。此方法基于型腔加工的复杂性，需更换不同刀具才能完成对零件的加工，针对此情况可能出现能耗过多的问题，研究提出了一种面向低能耗的刀具最优组合方法。此方法实施过程中首先在可用刀具范围内建立以刀具序列为优化对象，以能量消耗为优化目标的优化模型；其次利用Dijkstra算法，以最短路径类比于最低能耗，对上述模型进行了求解，最后利用案例验证了所提模型及方法的有效性。该案例通过对可选刀具d1、d2、 d3、d4、d5的优化组合，对比各组刀具组合的切削时间与非切削时间，选择切削时间与非切削时间和最短的刀具组合，从而达到降低型腔加工能耗的目的。该方法解决了复杂结构型腔粗加工中高能耗的问题。但该方法仅适于对可选的多把刀具进行优化组合、对比来达到复杂结构型腔中能耗降低的目的，对于简单半圆柱型腔仅用一把仿形铣刀就完成型腔粗加工是不适用的，因此该方法具有局限性。

综上所述，现有的面向低能耗的型腔加工刀具组合优化模型受刀具数量的限制，所提出通过对所选刀具进行优化组合、对比，减少切削时间与非切削时间和，从而降低型腔加工能耗的方法具有局限性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有型腔低能耗粗加工数控加工方法需对可选的多把刀具进行优化组合、对比，减少切削时间与非切削时间和来降低能耗局限性大的问题，本发明提出了一种半圆柱型腔粗加工中降低能耗的数控加工方法。该方法利用UG软件在建模模块依据半圆柱型腔的圆柱半径尺寸值分别构建半封闭、封闭半圆柱型腔做部件几何体，在加工模块采用深度轮廓加工方法完成半圆柱型腔的粗加工；在整个加工中刀具沿着实体轮廓形状进行zig-zag深度切削，相比常规型腔铣粗铣去量而言，减少了刀轨及刀具换刀期间的空载时间，较好的提高了单位时间内毛坯体积的切除量，明显缩短了刀具的切削时间，降低了能耗。

本发明的技术方案是：一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，包括以下步骤：

步骤一：在UG编程软件第一图层上放置零件几何体；加工坐标系XM、YM、ZM与建模坐标系XC、YC、ZC重合，XM坐标由左向右，YM坐标关于零件几何体对称分中，ZM 坐标置于零件几何体底面，安全平面高于XM、YM平面h毫米；

步骤二：在UG编程软件第二图层构建半封闭半圆柱型腔1及封闭半圆柱型腔2；

实测零件两处半圆柱型腔的直径尺寸值D1、D2，轴向尺寸值L1、L2；依据零件几何体加工部位半圆柱型腔的径向尺寸D1/2、D2/2，轴向尺寸L1、L2，在第二层里分别做径向尺寸为D1/2、D3/2，轴向尺寸为L1、L3的半封闭半圆柱型腔1；径向尺寸为D2/2、D4/2，轴向尺寸为L2、L4的封闭半圆柱型腔2；

且D3＝D1+2S D4＝D2+2S

L3＝L1+2T L4＝L2+2T

其中S、T范围均为5-6CM；

步骤三：在UG编程软件第三图层构建半封闭半圆柱型腔3及封闭半圆柱型腔4；

依据零件几何体两处半圆柱型腔内部的结构特征，把第二层里的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第三层，对半封闭半圆柱型腔1进行边倒圆Ra得到半封闭半圆柱型腔3，对封闭半圆柱型腔2进行边倒圆Rb得到封闭半圆柱型腔4；其中半封闭半圆柱型腔3的切削层范围深度设为D1/2，封闭半圆柱型腔4的切削层范围深度为D2/2；D1、D2分别为半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的直径尺寸值；

步骤四：将第二图层里构建的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第四图层中，应用同步建模替换面功能使半封闭半圆柱型腔1，封闭半圆柱型腔2成为半圆柱体A、半圆柱体B；且半圆柱体A、半圆柱体B放至第四图层；

步骤五：将第一图层的零件几何体与第四层的半圆柱体A、半圆柱体B同时复制到第五图层，对二者进行求和后得到毛坯几何体。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤二和步骤三中，在刀具选择上选择一把直径为da且镶有硬质合金刀片的仿形铣刀，所选刀具直径da的值为D1/5、D2/5中的较小者。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤二和步骤三中，防止铣刀过切零件几何体，底面余量与侧面余量设为α，内外公差为Δ，其中余量α范围为0.3至0.5mm，内外公差Δ范围为0.03-0.05mm。

本发明进一步的技术方案是：所述步骤二和步骤三中，切削方向为顺铣，切削顺序选用深度优先，层到层的连接方式均选择直接对部件进刀，加工中刀具沿着实体轮廓形状进行zig-zag深度切削。

发明效果

本发明的有益效果是：本发明加工方法通过构建半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法解决了半圆柱型腔粗加工中高能耗的问题，该方法克服了现有加工方法中需建立刀具组合优化模型要受刀具数量限制的问题，整个加工中只用一把仿形铣刀沿所构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的轮廓进行zig-zag深度切削，较常规型腔铣而言，简化了刀轨，减少了刀具运行时的切削时间与换刀期间的空载时间，提高了单位时间内毛坯体积的切除量，降低了能耗；

采用现有加工方法需用层切法把半圆柱型腔的切深划分成多个不同的层，并依据每个切层的截面积选用不同刀具，通过对比刀具路径最短、切削时间与非切削时间和最少选用合适的刀具组合，此方法粗加工需要8小时，能耗大，且来回组合、对比较繁琐；而采用本发明加工方法对半圆柱型腔以深度轮廓加工的切削方式进行粗加工仅需要1小时，降低了加工能耗；

该方法适于所有在轴向方向上走刀、径向方向上下刀的半圆柱型腔的去量粗加工。

附图说明

图1是本发明方法的零件几何体结构示意图。

图2是本发明方法半封闭半圆柱型腔1的结构示意图。

图3是本发明方法封闭半圆柱型腔2的结构示意图。

图4是本发明方法半封闭半圆柱型腔3的结构示意图。

图5是本发明方法封闭半圆柱型腔4的结构示意图。

图6是本发明方法半圆柱体A的结构示意图。

图7是本发明方法半圆柱体B的结构示意图。

图8是本发明方法中毛坯几何体结构示意图。

图9是本发明方法的刀轨仿真示意图。

图10是背景技术复杂结构型腔的结构示意图。

具体实施方式

参照附图1—图9，本发明一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，具体包括以下步骤：

步骤一：在建模模块构建毛坯几何体；

为实现半圆柱型腔的粗加工，需要依据零件半圆柱型腔的圆柱半径尺寸值依次构建半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4，所述半封闭圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔 4是生成程序的载体，也是UG编程加工中所用的部件几何体；具体步骤如下：

子步骤一：创建零件几何体；

在第一层放置零件几何体；针对零件几何体的空心结构，为减小变形量，在零件几何体中间增加了工艺台，由于有工艺台干涉，只能卧倒零件几何体并选用在半圆柱型腔轴向方向上走刀，径向方向上下刀的方式进行加工。

子步骤二：构建半封闭半圆柱型腔1及封闭半圆柱型腔2；

实测零件两处半圆柱型腔的直径尺寸值D1、D2，轴向尺寸值L1、L2；依据零件几何体加工部位半圆柱型腔的径向尺寸D1/2、D2/2，轴向尺寸L1、L2，在第二层里分别做径向尺寸为D1/2、D3/2，轴向尺寸为L1、L3的半封闭半圆柱型腔1；径向尺寸为D2/2、D4/2，轴向尺寸为L2、L4的封闭半圆柱型腔2；

且D3＝D1+2S D4＝D2+2S

L3＝L1+2T L4＝L2+2T

其中S、T范围均为5-6CM；

子步骤三、构建半封闭半圆柱型腔3及封闭半圆柱型腔4；

依据零件几何体两处半圆柱型腔内部的结构特征，把第二层里的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第三层，对半封闭半圆柱型腔1进行边倒圆Ra得到半封闭半圆柱型腔3，对封闭半圆柱型腔2进行边倒圆Rb得到封闭半圆柱型腔4。

子步骤四：构建半圆柱体A、半圆柱体B；

将第二层里构建的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第四层中应用同步建模替换面功能使半封闭半圆柱型腔1，封闭半圆柱型腔2成为半圆柱体A、半圆柱体B。

子步骤五：构建毛坯几何体；

将第一层的零件几何体与第四层的半圆柱体A、半圆柱体B同时复制到图层5，对二者进行求和后得到毛坯几何体。

步骤二：加工模块进行几何体参数与刀轨参数设置；

子步骤一、创建几何体及坐标系设置；

将建模模块第三层里构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4设为零件几何体，将步骤一中子步骤五的几何体设为毛坯几何体，加工坐标系XM、YM、ZM与建模坐标系XC、YC、ZC重合，XM坐标由左向右，YM坐标关于零件几何体对称分中，ZM坐标置于零件几何体底面，安全平面高于XM、YM平面h毫米；

子步骤二、刀具选择及铣削方式选择；

选用一把直径为da且镶有硬质合金刀片的仿形铣刀，所选刀具直径da的值为D1/5、 D2/5中的较小者；整个加工过程中使用同一把刀具，若刀片刀尖磨损，只需更换刀片即可，减少了刀具更换的空载时间与复磨时间，降低了能耗，提高了加工效率。

创建程序名称为PROGRAM1；选择铣削方式为MILL_SIM_FINISH，底面余量与侧面余量一致设为α，内外公差为Δ。

由于型腔较深，切削过程中铣刀颤动比较剧烈，为防止铣刀过切零件几何体，余量α值一般设为0.3至0.5mm，半精加工后在YZ面用加长球刀内沿型腔半圆轮廓坐标尺寸值进行宏程序编制精铣余量α，内外公差Δ范围为0.03-0.05mm，一般设为 0.03mm。

子步骤三：几何体参数设置；

指定加工模块中部件几何体的修剪边界为所构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的边界外侧，实则加工内部。

子步骤四：刀轨设置；

陡峭空间范围均设为无；

合并距离设为w，w的取值范围为1-2mm；最小切削长度为w/5；刀具每刀的公共深度设为恒定，每刀切深的最大距离为w/5。

半封闭半圆柱型腔3的切削层范围深度设为D1/2，封闭半圆柱型腔4的切削层范围深度为D2/2；D1、D2分别为半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的直径尺寸值。

切削方向为顺铣，切削顺序选用深度优先，层到层的连接防式均选择直接对部件进刀，加工中刀具沿着实体轮廓形状进行zig-zag深度切削,其余设置不变。

对于半封闭半圆柱型腔3采用直线进、退刀方式，进、退刀长度为刀具直径的60％，且关闭非切削参数设置；对于封闭半圆柱型腔4其进刀点置于O点，为减少磨损，更好的保护所镶硬质合金刀片的刀尖不被磨损而选用斜线下刀，转移类型选在区域之间直接转移；选择碰撞检查，用于刀轨仿真时检验刀具是否会与工件产生碰撞。

依据刀具材料设置主轴转速与切削进给率。

具体见表1：

表1本发明几何体参数选择与刀轨参数设置表

参数设置完毕后，采用深度轮廓加工的方法对半圆柱型腔进行粗加工，使刀具沿着实体轮廓形状进行zig-zag深度切削。

本发明加工方法通过构建半封闭半圆柱型腔3、封闭圆柱型腔4做部件几何体并采用深度轮廓加工的方法解决了半圆柱型腔粗加工中高能耗的问题，该方法克服了现有的加工方法中需建立刀具组合优化模型要受刀具数量限制的问题，整个加工中只用一把仿形铣刀沿所构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭圆柱型腔4的轮廓进行zig-zag深度切削，较常规型腔铣而言，简化了刀轨，减少了刀具运行时的切削时间与换刀期间的空载时间，较好的提高了单位时间内毛坯体积的切除量，降低了能耗，极大的提高了加工效率。具体见表2：

表2本发明半圆柱型腔粗加工降低能耗对比表

表3常规型腔铣的代码和本发明方法的代码

需要说明的是，根据前面方法步骤的描述，在UG软件(能根据设置好的刀轨自动生成程序)中会生成程序，进行加工。

表4背景技术刀具组合表中能量消耗对比示意表

Claims (4)

1.一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在建模模块构建毛坯几何体，依次构建半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4，包括以下子步骤：

子步骤一：创建零件几何体；在第一层放置零件几何体；

子步骤二：构建半封闭半圆柱型腔1及封闭半圆柱型腔2；

实测零件两处半圆柱型腔的直径尺寸值D1、D2，轴向尺寸值L1、L2；依据零件几何体加工部位半圆柱型腔的径向尺寸D1/2、D2/2，轴向尺寸L1、L2，在第二层里分别做径向尺寸为D1/2、D3/2，轴向尺寸为L1、L3的半封闭半圆柱型腔1；径向尺寸为D2/2、D4/2，轴向尺寸为L2、L4的封闭半圆柱型腔2；

且 D3＝D1+2S D4＝D2+2S

L3＝L1+2T L4＝L2+2T

其中S、T范围均为5-6CM；

子步骤三、构建半封闭半圆柱型腔3及封闭半圆柱型腔4；

将第二层里的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第三层，对半封闭半圆柱型腔1进行边倒圆Ra得到半封闭半圆柱型腔3，对封闭半圆柱型腔2进行边倒圆Rb得到封闭半圆柱型腔4；

子步骤四：构建半圆柱体A、半圆柱体B；

将第二层里构建的半封闭半圆柱型腔1、封闭半圆柱型腔2复制到第四层中应用同步建模替换面功能使半封闭半圆柱型腔1，封闭半圆柱型腔2成为半圆柱体A、半圆柱体B；

子步骤五：构建毛坯几何体；

将第一层的零件几何体与第四层的半圆柱体A、半圆柱体B同时复制到图层5，对二者进行求和后得到毛坯几何体；

步骤二：加工模块进行几何体参数与刀轨参数设置；

子步骤一、创建几何体及坐标系设置；

将建模模块第三层里构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4设为部件几何体，将步骤一中子步骤五的几何体设为毛坯几何体，加工坐标系XM、YM、ZM与建模坐标系XC、YC、ZC重合，XM坐标由左向右，YM坐标关于零件几何体对称分中，ZM坐标置于零件几何体底面，安全平面高于XM、YM平面h毫米；

子步骤二、刀具选择及铣削方式选择；

选用直径为da且镶有硬质合金刀片的仿形铣刀，创建程序名称为PROGRAM1；选择铣削方式为MILL_SIM_FINISH，底面余量与侧面余量一致设为α，内外公差为Δ；

子步骤三：几何体参数设置；

指定加工模块中部件几何体的修剪边界为所构建的半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的边界外侧，实则加工内部；

子步骤四：刀轨设置；

陡峭空间范围均设为无；

合并距离设为w，w的取值范围为1-2mm；最小切削长度为w/5；刀具每刀的公共深度设为恒定，每刀切深的最大距离为w/5；

半封闭半圆柱型腔3的切削层范围深度设为D1/2，封闭半圆柱型腔4的切削层范围深度为D2/2；D1、D2分别为半封闭半圆柱型腔3、封闭半圆柱型腔4的直径尺寸值；

切削方向为顺铣，切削顺序选用深度优先，层到层的连接防式均选择直接对部件进刀，加工中刀具沿着实体轮廓形状进行zig-zag深度切削，其余设置不变。

2.如权利要求1所述的一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，其特征在于，所述步骤一的子步骤一中，在零件几何体中间增加了工艺台，且卧倒零件几何体并选用在半圆柱型腔轴向方向上走刀，径向方向上下刀的方式进行加工。

3.如权利要求1所述的一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，其特征在于，所述步骤二的子步骤二中，在刀具选择上选择一把直径为da且镶有硬质合金刀片的仿形铣刀，所选刀具直径da的值为D1/5、D2/5中的较小者。

4.如权利要求1所述的一种半圆柱型腔粗加工数控加工方法，其特征在于，所述步骤二的子步骤二中，余量α值设为0.3至0.5mm，半精加工后在YZ面用加长球刀内沿型腔半圆轮廓坐标尺寸值进行宏程序编制精铣余量α，内外公差Δ范围为0.03-0.05mm。

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