CN112222497B - 大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，通过建立、分析工件数字模型，制定工艺方案，经过粗加工、半精加工、精加工在三轴联动铣床上完成大型锥面接管的空间曲面的加工。本发明提供了一种新的分割法加工方案，解决了复杂空间曲面在三轴联动铣床无法加工的问题，分割法为复杂曲面的加工提供新的解决思路；本发明采用的角铣头加工方案解决了五轴机床加工的局限，也解决了常规加工方法无法满足尺寸要求，且加工效率低，加工费用高的问题；更重要的是，角铣头加工方案为加工类似双向阴角提供了很有价值的解决方案，本发明极大的的提高了产品的表面质量，同时极大的提高了加工效率。

Description

大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法

技术领域

本发明属于三轴联动铣床上的加工方法技术领域，特别涉及一种大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法。

背景技术

圆柱与大型锥面体相贯形成的大型复杂空间曲面，现有加工技术分为2种，一种是使用五轴机床加工，另一种是使用三轴机床近似加工复杂空间曲面，而后进行打磨仿形处理。五轴机床加工受限于设备及加工程序，一是目前五轴机床昂贵，如果公司产品涉及五轴机床不多，则过于浪费，二是精通五轴加工程序的技术人员稀少，且技术人员薪资很高。使用三轴机床近似加工使工件保证不了尺寸精度要求，表面粗糙度亦无法满足，而且加工效率低，费用高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，解决了使用五轴机床昂贵，技术人员紧缺，费用浪费的问题，也解决了无法保证尺寸精度及表面粗糙度的问题，节省费用的同时提高加工效率。

本发明采用的技术方案是：一种大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，所述空间曲面为圆柱体相贯于圆锥体侧面形成一侧阳角一侧阴角的空间曲面，包括以下步骤：

步骤1、建立工件数字模型：根据设计要求分析工件的整体形状、相贯面特征，应用建模软件建立空间曲面模型，确定工件复杂空间曲面的型式；

步骤2、分析工件数字模型，通过分析步骤1所建立的三维模型，确定加工对象毛坯状态，待加工曲面特征；

步骤3、制定工艺方案；

步骤3.1、划分加工阶段，将加工过程划分为三个阶段，第一阶段：粗加工，由大余量圆环毛坯加工至保留最大实体的圆环，第二阶段：半精加工，由最大实体圆环加工至仿形留量，第三阶段：精加工，由仿形留量加工至符图状态；

步骤3.2、确定粗加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端面L型阶梯面，大端面马鞍面加工阶梯面的各步的装夹点、加工范围；用最简单的刀具路径，高效，且稳定的加工方法对工件进行粗加工大部余量，大端面马鞍面按台阶面粗加工，既能够去除大端面大部分余量，同时台阶面的加工为后续装夹稳定做准备；

步骤3.3、确定半精加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端L型仿形、大端面马鞍面时各步装夹点及每步的加工范围；

步骤3.4、确定精加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端L型仿形、大端面马鞍面时各步装夹点及每步的加工范围；

步骤4、按步骤3的工艺方案要求确定每一工步的加工基准，确定整个加工过程所有加工程序使用同一个工件坐标系；

步骤5、按步骤3的工艺方案要求编制计算机辅助制造程序并确定加工刀具；

步骤6、应用数控机床仿真软件校验步骤5的数控程序；

步骤7、步骤6校验合格后按上述步骤进行工件加工；

步骤8、检测工件，加工完成后通过机床检测特征点，检测工具以及样板来检测工件尺寸精度。

进一步优化，步骤3.1所述的半精加工过程中仿形留量的余量至少10mm。

进一步优化，步骤3.3中加工小端L型仿形时将工件分为四个象限分别为第1象限、第2象限、第3象限和第4象限，所述步骤3.3中加工内孔时将内孔分割为两部分，第2、3象限为一部分，第1、4象限为一部分，所述步骤3.3中加工大端面马鞍面时将大端面马鞍面分割为两部分，第2、3象限为一部分，第1、4象限为一部分。这种分割象限的方法使刀具路径更加规矩，减少了空走刀时间，极大的提高了加工效率，同时避开了工件阴角部分，避开UG软件常规方法无法加工的问题，采用角铣头方案解决阴角无法加工的问题。将内孔分为2次装夹加工，通过分割和装夹方式的改变，使内孔阴角部分正对主轴加工，极大的提高了加工效率。将大端面马鞍面分割为两部分加工，使刀具路径更合理，减少空走刀，提高加工效率。

进一步优化，步骤3.4中精加工小端L型仿形时由半精加工时的分为四个象限分别加工改为4个象限合并加工，因为精加工前余量小，合并加工后节省刀具路径，且刀路规矩，合并加工能更好的保证尺寸精度，避免接刀问题。精加工小端L型仿形采用型腔铣加仿形向心铣的加工方法，此方法能够极大的提高表面质量，省去打磨步骤。

进一步优化，步骤3.4中精加工小端L型仿形时小端L型阴角部分采用角铣头分别旋转正负45°的加工方案。避开了五轴设备加工局限的同时，解决了现有使用的CAM软件无法加工双向阴角的问题，同时此方法加工后表面质量好，角铣头的准确补偿为尺寸精度的保证提供坚实基础。

进一步优化，步骤3.4中精加工时内孔的加工采用万能角铣头正对的方式，此方法解决了使用主轴加工内孔尺寸无法保证，粗糙度极差的问题，分两次装夹完成，解决了使用悬伸长刀具加工的问题，避免了刀具过长产生的振动、让刀问题，很好的保证了尺寸精度及表面粗糙度。

进一步优化，步骤3.4中精加工时大端马鞍面采用向心逆向挠削的加工方式，此方法可以保证与内孔圆滑相接，同时提高表面质量。

进一步优化，步骤3.4中精加工时小端内外坡口采用交替使用程序的方法，保证加工后内外坡口形成尖点，很好的保证了尺寸要求。

进一步优化，步骤5中加工刀具的确定根据加工材质、加工方法、工件表面质量要求、刀具轨迹路径的因素综合考虑确定整个加工过程使用4种规格刀具，提高加工效率节省刀具费用。

本发明的有益效果是：

1、本发明的加工方法提供了一种新的分割法加工方案，优化了原有加工方案，解决了复杂空间曲面在三轴联动铣床无法加工的问题，节省加工费用，分割法为复杂曲面的加工提供新的解决思路；

2、本发明采用的角铣头加工方案为加工类似双向阴角提供了很有价值的解决方案；

3、本发明的加工效果不仅能够满足图纸所有的尺寸精度要求，极大的的提高了产品的表面质量，同时极大的提高了加工效率。

附图说明

图1为大型锥面接管的空间曲面结构示意图；

图2为大型锥面接管的空间曲面加工阶梯面示意图；

图3为大型锥面接管的空间曲面四个象限示意图；

图4为角铣头加工阴角示意图；

图5为角铣头加工内孔示意图；

图6为角铣头加工加工大端面马鞍形示意图。

附图标记：1-工件2-角铣头

具体实施方式

本发明是大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，如图1所示，工件1设计要求为圆柱体与圆锥体相贯形成的空间曲面，本发明的加工方法主要用于加工圆柱体相贯于圆锥体侧面形成一侧阳角一侧阴角的复杂空间曲面，同时本发明采用的角铣头加工方案为加工类似双向阴角结构提供了有价值的解决方案。

下面以加工如图1所示空间曲面形状为例，结合图1-图6对本发明技术作进一步具体的阐述说明。

一、建立工件1三维模型；

应用SIEMENS NX CAD/CAM软件建立如图1所示空间曲面模型，通过与设计方反复沟通确认，最终确定工件1复杂空间曲面的空间型式，包括但不限于相贯面形成方式，小端内外坡口型式，大端外圆上坡口型式等；分析工件的整体形状，相贯面特征。

二、分析工件1三维模型；

通过分析建立的三维模型，结合加工对象毛坯状态及待加工曲面特征，确定在三轴联动铣床上进行加工。

三、制定加工工艺方案；

首先，划分加工阶段，整个加工过程划分为三个阶段。第一阶段粗加工：由大余量椭圆环毛坯加工至保留最大实体的阶梯圆环；第二阶段半精加工：由最大实体阶梯圆环加工至仿形留量10mm；第三阶段精加工：由仿形留量10mm加工至符图状态。

其次，确定各个阶段的加工方案。

粗加工阶段：第一，确定装夹次数：2次，即小端、大端分别向上装夹一次。第二，确定加工范围：整体加工内孔、外圆、小端面L型阶梯面、大端面马鞍面加工阶梯面，在保留最大实体的前提下，以最简单的加工刀路(非标准椭圆、阶梯台)去除大部余量。第三，确定加工基准：粗加工完成后在工件余量上加工后续加工的找正、定心(工件1坐标系)的基准。如图2所示，顶面为粗加工完成后小端面L型阶梯面形式，底面为粗加工完成后大端面马鞍面的阶梯面形式。

具体步骤如下：

第一步：小端面向上，粗加工内孔、外圆，按工件最大实体位置，内孔留量10mm，外圆留量15mm；

第二步：小端面向上，粗加工小端面L型阶梯面，按保留工件最大实体位置；

第三步：大端面向上，粗加工大端面台阶面，留量15mm。

半精加工阶段：第一，确定装夹次数：2次，即大端、小端分别向上装夹一次。第二，确定加工范围：首先，如图3所示，加工小端L型仿形时将工件1分为四个象限进行加工，即图中方框标注的1、2、3、4四个象限。

其次，如图4所示，使用角铣头2分别旋转45°，使铣头端面分别正对1、4象限阴角部分45°方位，加工1、4象限阴角部分。此加工方案成功的避开需要五轴机床加工的问题，也避开了使用万能角铣头正对加工的问题如万能铣头加工所需刀具有效长度过长，无法加工的问题，同时也避开了三轴联动机床UG软件常规方法无法加工的问题。

然后，如图5所示，内孔的加工采用万能角铣头正对的方式加工，按照2、3象限及1、4象限分组，分2次装夹完成，小端向上时，加工1、4象限内孔，大端向上时，加工2、3象限内孔。

然后，如图6所示，大端面的加工采用主轴正对的方式加工，大端面向上，按照2、3象限及1、4象限分组，分2次装夹完成加工。

具体步骤如下：

第一步：小端面向上，加工小端面L型仿形，分割方式：2、3象限及1、4象限；

第二步：小端面向上，加工小端L型仿形阴角部分，分割方式：1象限、4象限；

第三步：小端面向上，加工小端部分内孔，单边留量10mm；

第四步：大端面向上，加工大端面马鞍面及部分内孔，单边留量10mm，分割方式：2、3象限及1、4象限。

因工件1复杂，且工件1进行多次分割加工，因此为保证工件1尺寸要求，整个加工过程，所有加工程序使用同一个工件1的坐标系。每一次装夹加工完成后在工件1余量上加工后续加工的找正、定心的基准。

精加工阶段：由仿形留量10mm加工至符图状态。因半精加工已完成工件的仿形加工，只是存在10mm余量，因此精加工不分象限加工而是采用整体加工，可以更好的保证工件的尺寸精度，避免分象限加工的接刀问题，合理的减少刀具空运行的时间，提高了加工效率。

具体步骤如下：

第一步：大端面向上，精加工大端面马鞍面，加工方法：型腔铣，切深2mm；

第二步：大端面向上，精加工大端面马鞍面至符图，加工方法：向心铣，步距8mm，目的：去除上一步2mm刀路台阶面，提高表面粗糙度；

第三步：大端面向上，精加工大端面外圆下坡口至符图，加工方法：固定轮廓铣，步距1mm；

第四步：大端面向上，精加工部分内孔至符图，加工方法：深度加工轮廓铣，切深1mm；

本步骤难点：为保证内孔尺寸及粗糙度要求，需使用万能角铣头加工，难点1：因工件1尺寸大，若一次装夹完成内孔加工，则刀具悬伸需要600mm长，刀具悬伸过长，无法保证加工精度，因此内孔加工需2次装夹完成，第一次装夹加工一部分，剩余部分翻身装夹后加工，难点2：保证两次装夹的零点必须一致。

第五步：小端面向上，精加工小端面L型外形，加工方法：型腔铣，步距2mm；

第六步：小端面向上，精加工小端面L型外形至符图，加工方法：向心铣，步距8mm；

第七步：小端面向上，清根精加工小端面L型阴角部分至符图，加工方法：型腔铣，步距1mm，采用小切深，大进给从而避免振动过大；

本步骤难点：为保证阴角部分尺寸及粗糙度要求，需使用角铣头2旋转正、负45°分别正对1、4象限进行加工，难点1：需正确补偿角铣头2参数，以保证加工的准确性；难点2：需合理调整切削参数，以保证角铣头2加工过程的稳定性，保证表面粗糙度。

第八步：小端面向上，精加工内孔第四步未加工部分至符图，加工方法：深度加工轮廓铣，切深1mm；

第九步：小端面向上，精加工内孔残留至符图，加工方法：型腔铣，步距2mm；

第十步：小端面向上，精加工大端面外圆上坡口至符图，加工方法：深度加工轮廓铣，切深1mm；

第十一步：小端面向上，精加工小端内外坡口至符图，加工方法：固定轮廓铣，步距1mm。

本步骤难点：为保证加工后内外坡口形成尖点，加工过程需采用内外坡口交替使用程序的方法，以确保加工后的内外坡口满足图纸要求。

然后，按工艺方案要求编制CAM程序并确定加工刀具。因工件1结构复杂，应用CAM程序进行编制并调试。其次，加工刀具、刀片的确定依据是综合加工材质，加工方法，工件1表面质量要求、刀具轨迹路径等众多因素综合考虑确定，整个加工过程使用4种规格刀具即可完成。

然后，应用VERICUT数控机床仿真软件校验数控程序。为保证程序准确无误，避免过切及碰撞问题，以及验证加工后工件1的尺寸精度等，使用VERICUT软件将所有编制的数控加工程序进行仿真模拟，以保证程序的准确性。

四、按照校验合格的工艺方案进行实际加工。将工件1按照模拟加工工艺的方案在三轴联动铣床上进行逐步加工。

五、检测工件。通过机床检测特征点，其他检测工具以及样板来检测工件尺寸精度，保证工件1加工后符合图纸要求。

Claims (9)

1.一种大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，所述空间曲面为圆柱体相贯于圆锥体侧面形成一侧阳角一侧阴角的空间曲面，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立工件数字模型：根据设计要求分析工件的整体形状、相贯面特征，应用建模软件建立空间曲面模型，确定工件复杂空间曲面的型式；

步骤2、分析工件数字模型，通过分析步骤1所建立的三维模型，确定加工对象毛坯状态，待加工曲面特征；

步骤3、制定工艺方案；

步骤3.1、划分加工阶段，将加工过程划分为三个阶段，第一阶段：粗加工，由大余量圆环毛坯加工至保留最大实体的圆环，第二阶段：半精加工，由最大实体圆环加工至仿形留量，第三阶段：精加工，由仿形留量加工至符图状态；

步骤3.2、确定粗加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端面L型阶梯面，大端面马鞍面加工阶梯面的各步的装夹点、加工范围；

步骤3.3、确定半精加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端L型仿形、大端面马鞍面时各步装夹点及每步的加工范围；

步骤3.4、确定精加工阶段的具体步骤，包括确定装夹次数，确定加工内孔、外圆、小端L型仿形、大端面马鞍面时各步装夹点及每步的加工范围；

步骤4、按步骤3的工艺方案要求确定每一工步的加工基准，确定整个加工过程所有加工程序使用同一个工件坐标系；

步骤5、按步骤3的工艺方案要求编制计算机辅助制造程序并确定加工刀具；

步骤6、应用数控机床仿真软件校验步骤5的数控程序；

步骤7、步骤6校验合格后按上述步骤进行工件加工；

步骤8、检测工件，加工完成后通过机床检测特征点，检测工具以及样板来检测工件尺寸精度。

2.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.1所述的半精加工过程中仿形留量的余量至少10mm。

3.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.3中加工小端L型仿形时将工件分为四个象限分别为第1象限、第2象限、第3象限和第4象限，所述步骤3.3中加工内孔时将内孔分割为两部分，第2、3象限为一部分，第1、4象限为一部分，所述步骤3.3中加工大端面马鞍面时将大端面马鞍面分割为两部分，第2、3象限为一部分，第1、4象限为一部分。

4.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.4中精加工小端L型仿形时由半精加工时的分为四个象限分别加工改为4个象限合并加工，精加工小端L型仿形采用型腔铣加仿形向心铣的加工方法。

5.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.4中精加工小端L型仿形时小端L型阴角部分采用角铣头分别旋转正负45°的加工方案。

6.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.4中精加工时内孔的加工采用万能角铣头正对的方式。

7.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.4中精加工时大端马鞍面采用向心逆向挠削的加工方式。

8.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤3.4中精加工时小端内外坡口采用交替使用程序的方法。

9.根据权利要求1所述大型锥面接管空间曲面在三轴联动铣床上的加工方法，其特征在于：所述步骤5中加工刀具的确定；根据加工材质、加工方法、工件表面质量要求、刀具轨迹路径的因素综合考虑确定整个加工过程使用4种规格刀具。

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