CN114453836B - 薄壁不规则球形封头上系列管座孔j形坡口的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄壁不规则球型封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，包括以下步骤：将系列孔进行分组；根据分组后的系列孔，建立工件数字模型；按预设的工艺方案开发CAM程序并确定加工刀具；根据VERICUT数控机床仿真软件校验开发的CAM程序；通过机床检测特征点，检测工件尺寸精度。本发明所述的方法解决了不规则球面上J型坡口加工的解决方案，解决了系列孔J型坡口加工程序繁琐的问题，其最终加工效果不仅能够满足图纸所有的尺寸精度要求，极大的提高了产品的表面质量，同时极大的提高了加工效率。

Description

薄壁不规则球形封头上系列管座孔J形坡口的加工方法

技术领域

本发明涉及零件加工技术领域，具体而言，尤其涉及薄壁不规则球型封 头上系列管座孔J型坡口的加工方法。

背景技术

管座孔与球型封头焊接的J型坡口为复杂的空间曲面，系列孔数多达几 十个近百个，值得一提的是，球面为不规则曲面。目前可追溯的加工技术只 有一种，其背景与本方案不同之处在于，系列孔数少，且球面为规则球面， 其加工方案是采用定制成型铣刀近似加工，而后进行打磨仿形处理，此加工方法无法保证尺寸精度要求，表面粗糙度亦无法满足，加工方法落后，加工 效率极低，费用很高。

发明内容

根据上述提出的表面粗糙度无法满足，加工方法落后，加工效率极低， 费用很高的技术问题，而提供一种薄壁不规则球型封头上系列管座孔J型 坡口的加工方法。本发明主要通过一种薄壁不规则球型封头上系列管座孔J 型坡口的数控加工方法，此方法既解决了复杂空间曲面J型坡口在规则球面 上的普遍性加工难题，也解决了薄壁不规则球面上J型坡口的特殊性加工难 题，同时解决了系列孔加工程序繁多的问题，此方法解决了无法保证尺寸精 度及表面粗糙度的问题，同时提高了加工效率。

本发明采用的技术手段如下：

薄壁不规则球型封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1：将系列孔进行分组；

步骤S2：根据所述步骤S1分组后的系列孔，建立工件数字模型；

步骤S3：按预设的工艺方案设置CAM程序并确定加工刀具；

步骤S4；根据VERICUT数控机床仿真软件校验所述步骤S3设置的CAM 程序；

步骤S5：通过机床检测特征点，检测工件尺寸精度。

进一步地，所述步骤S1中将系列孔进行分组，通过计算每个孔的回转中 心至球体回转中心的距离，将多个孔按距离相近原则进行分组。

更进一步地，所述将多个孔按距离相近原则进行分组，所述分组的原则 为：

(1)将J型坡口样式进行分组，确定建立J型坡口样式的个数；

(2)通过对球体与孔相关截面数学参数的探究，确定加工孔时的起始点 和结束点位置；

(3)通过对同一组多个孔位置关系的探究，确定每一组只需编制0度方 位J型坡口的程序，本组其他孔J型坡口的加工通过对程序进行旋转、偏置 处理来进行加工。

进一步地，所述步骤S2还包括以下步骤：

步骤S21：确定加工对象毛坯状态，待加工曲面特征；

步骤S22：根据所述步骤S21确定的待加工对象的毛坯状态及待加工曲 面的特征划分加工阶段；

步骤S23：通过所述步骤S22划分的加工阶段确定加工机床；

步骤S24：确定加工步骤。

进一步地，所述分段加工具体地为：加工前开孔即在J型坡口中心位置 开孔，J型坡口粗加工即由所述开孔后状态加工至整体形状单边留量0.5mm， J型坡口半精加工，即清除J型坡口根部R角残留部分，J型坡口精加工即由 仿形留量加工至符图状态。

进一步地，通过SIEMENS NX CAD/CAM软件建立所述工件数字模型。

更进一步地，所述粗加工需要确定使用合适直径的立铣刀、确定加工后 的留量大小以及采用的切削参数；所述粗加工选用“型腔铣”铣削方式。

进一步地，所述半精加工采用球头铣刀且仅对J型坡口根部R角进行切 削。

进一步地，所述精加工采用球铣刀流线仿形的加工方式，对整个J型坡 口表面进行加工去除。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明技术提供一种薄壁不规则球型封头上系列管座孔J型坡口的数控 加工方法，此方案提供了最优化的J型坡口加工方案，解决了复杂空间曲面J 型坡口在三轴联动龙门铣床无法加工、或者说近似加工的问题，解决了不规 则球面上J坡口加工的解决方案，解决了系列孔J坡口加工程序繁琐的问题， 其最终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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体流程示意图。

图2为本发明薄壁不规则球封头系列孔(J坡口在外球面上)三维示意图。

图3为本发明规则球封头系列孔(J坡口在内球面上)三维示意图。

图4为本发明封头上系列孔孔位俯视图三维示意图。

图5为本发明0°方位多个J型坡口放大图三维示意图。

图6为本发明0°方位多个J型坡口整体图三维示意图。

图7为本发明J型坡口放大图示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第 一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后 次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本 发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外， 术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于 清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过 程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种薄壁不规则球型封头上系列管座孔J型 坡口的加工方法，包括以下步骤：

步骤S1：将系列孔进行分组；作为优选的实施方式，在本申请中通过计算每个孔的回转中心至球体回转中心的距离，将多个孔按距离相近原则进行 分组。

在本申请中，将多个孔按距离相近原则进行分组，所述分组的原则为：

(1)将J型坡口样式进行分组，确定建立J型坡口样式的个数；

(2)通过对球体与孔相关截面数学参数的探究，确定加工孔时的起始点 和结束点位置；

(3)通过对同一组多个孔位置关系的探究，确定每一组只需编制0度方 位J型坡口的程序，本组其他孔J型坡口的加工通过对程序进行旋转、偏置 处理来进行加工。

作为优选的，此步操作，将系列孔化繁为简，将众多孔及J型坡口的加 工，化简为多组孔及J型坡口的加工，大大降低了程序数量和程序调试的风 险。

步骤S2：根据所述步骤S1分组后的系列孔，建立工件数字模型。在本 申请中，通过SIEMENS NX CAD/CAM软件建立所述工件数字模型。通过与 设计方、使用方多次沟通确认，最终确定不规则球面的尺寸特征，J型坡口复 杂空间曲面的型式(包括但不限于相贯面形成方式，坡口底面型式等)。分 析工件的整体形状，相贯面特征作为优选的，所述步骤S2还包括以下步骤：

步骤S21：确定加工对象毛坯状态，待加工曲面特征；

步骤S22：根据所述步骤S21确定的待加工对象的毛坯状态及待加工曲 面的特征划分加工阶段；

步骤S23：通过所述步骤S22划分的加工阶段确定加工机床；作为一种 优选的实施方式，在本申请中，采用的加工机床为三轴联动大型数控龙门铣 床。

进一步地，所述分段加工具体地为：加工前开孔即在J型坡口中心位置 开孔，J型坡口粗加工即由所述开孔后状态加工至整体形状单边留量0.5mm。 作为优选的所述粗加工需要确定使用合适直径的立铣刀、确定加工后的留量 大小以及采用的切削参数；所述粗加工选用“型腔铣”铣削方式。这里粗加 工使用最简单的刀具路径，最高效，且最稳定的加工方法对J型坡口大部分 余量进行去除，且因工件壁厚薄，加工过程易产生振动，因此合理的切削参数的确定，既能够高效去除大部分余量，又能保证加工过程的稳定。

优选地，J型坡口半精加工即清除J型坡口根部R角残留部分；所述半精 加工采用球头铣刀且仅对J型坡口根部R角进行切削。这里半精加工选用球 铣刀加工，避开了立铣刀加工的干涉碰撞工件无法加工的问题；仅对根部残 留部分进行去除，既能够满足加工要求，又避免对已加工部位重复加工，大 大提高了加工效率。

作为优选的实施方式，J型坡口精加工即由仿形留量加工至符图状态。所 述精加工采用球铣刀流线仿形的加工方式，对整个J型坡口表面进行加工去 除。这里精加工选用球铣刀加工，能够对整个J型坡口表面进行加工；流线 仿形的加工方式能够很好的保证尺寸精度及表面粗糙度；流线仿形的加工方 式加工状态更稳定。

步骤S24：确定加工步骤。

进而，步骤S3：按预设的工艺方案设置CAM程序并确定加工刀具；不 规则球体上J型坡口CAM程序的编制极为复杂，解决了众多调试过程中的调 试问题，这里不一一赘述；加工刀具的确定综合J型坡口尺寸、加工材质， 加工方法，工件表面质量要求、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2种规格刀具即可完成。

进一步地，步骤S4；根据VERICUT数控机床仿真软件校验所述步骤S3 设置的CAM程序；为保证程序准确无误，避免过切及碰撞问题，通过 VERICUT软件进行模拟仿真，以保证程序的准确性。

最终步骤S5：通过机床检测特征点，检测工件尺寸精度，保证工件加工 后符合图纸要求。

实施例一：

作为本申请的一种实施例，结合图2-7对本申请所述的数控加工方法做 进一步的解释，在此针对上文提到的内容不进行赘述，针对具体的实例进行 进一步地解释说明。

如图2-3所示，在加工过程中，需要先对待加工孔进行分组，这样能够 更好的简化加工。图2、3分别展示了在球外球壁及内球壁进行加工孔分组，可以看出本申请所述的方法不仅支持在球外球壁上支持也可以在内球壁使用。

具体地，首先使封头将J型坡口侧向上装夹，按既定方位摆放，G54X0Y0 定在封头回转中心位置，此时每一个J型坡口所在孔均有其特有的点位坐标， 通过将点位坐标输入到excel表格中，利用勾股定理求得，孔回转中心至工艺 零点的距离；按距离相同或相差极小为原则，将J型坡口进行分组。这样每 组J型坡口只需建立0°方位一个数字模型即可，其他方位J坡口，通过对生 成后的加工程序使用程序指令ROT(旋转)；TRANS(偏移)即可完成加工。

同时作为优选的，在本实施方式中，具体的旋转角度在cxcel表中的计算 公式为α＝ATAN2(X,Y)*180/PI(X,Y)其中，X为坐标值，Y为坐标值。

具体的偏置值在cxcel表中的计算则是通过公式算出J型坡口的最高点、 中间点、最低点在球面上的Z轴值，与出程序孔所在孔位置的高、中、点位 置进行比较，若高度值偏差在公差范围内，则可以将其划为一组，并采用相 应的偏置值。

加工孔的方法为使用铣刀在孔中心位置，铣削成平面，而后使用钻头加 工孔，最后使用铣削或镗削的方式扩孔，因孔与球面相贯形成相贯线，因此 以上加工均需要计算出每组孔对应加工方式的起始点和结束点，起始点所采 用的公式为(以计算高点位置为例)：d＝SQRT(R1*R1-(L1+R2)*(L+R2))-L2，其中R1表示内球半径，L1表示孔回转中心至球回转中心距离，R2表示孔半 径，L2表示安全距离；

结束点所采用的公式为(以计算高点位置为例)： d＝SQRT(R1*R1-(L1-R2)*(L-R2))+L2，其中R1表示内球半径，L1表示孔回 转中心至球回转中心距离，R2表示孔半径，L2表示安全距离；

通过以上分组，可以大大简化模型及程序个数，目前基本实现，60多个 孔只需要分为十几组即可。

经过分组后，根据分组情况进行建模。首先，在J型坡口中心位置建立 孔直径大小的圆柱体，后与封头求差；然后，使用孔回转中心至封头回转中 心截面，将现有模型切除一半；进而在现有截面，建立J型坡口的高点、低 点截面的草图，使用扫掠功能，将高点截面，沿孔与封头相贯线扫掠至低点 截面，其中扫掠的参数设置经过严谨的推敲设置，以保证扫掠后形状满足图 纸要求；最后，将扫掠后的图形与封头求差后，再按上述修剪的截面进行镜 像得出完整的一个J型坡口数字模型。

这里需要注意的是，建立其他组的J坡口数字模型，只需使用建立好的 数字模型，修改高点、低点位置的草图即可。

在本申请中建模方法为目前成熟的通用的方法，因此在此不进行赘述。 本发明具有通用性主要是当球体发生变化时，比如为不规则球体，只需将球 体的建模方式修改即可，其他步骤不变。

如图5-7所示，确定好模型之后，进行模拟加工，首先进行粗加工，使 用立铣刀采用型腔铣按层铣削的加工方式，选取跟随部件的加工方式，按圆 弧进刀，层之间在孔回转中心位置轴向进刀，以确保进刀位置安全，同时粗 加工需给精加工留量0.2-1mm(根据J坡口尺寸及刀具轨迹情况确定粗加工 留量值，目前基本确定为留量0.5mm)根据J型坡口尺寸来确定立铣刀直径 大小。

其次进行半精加工，选取球头铣刀，采用的加工方式、进刀方式均与粗 加工相同，唯一的区别在于半精加工刀路只对根部R角残留部分进行去除， 球头刀具的半径选取按J型坡口根部R角尺寸来确定。

最后进行精加工，选取球头铣刀，采用流线仿形的加工方式，按从上至 下，从外至内的原则，螺旋铣削，根据工件粗糙度要求确定螺旋步距，以保 证加工后的表面质量及加工过程的稳定性，球头刀具半径的选取同半精加工。 这样就可以获得最终的J形坡口。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施 例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.薄壁不规则球形封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将系列孔进行分组；

S2：根据所述步骤S1分组后的系列孔，建立工件数字模型；

S3：按预设的工艺方案开发CAM程序并确定加工刀具；

S4；根据VERICUT数控机床仿真软件校验所述步骤S3开发的CAM程序；

S5：通过机床检测特征点，检测工件尺寸精度；

所述步骤S1中将系列孔进行分组，通过计算每个孔的回转中心至球体回转中心的距离，将多个孔按距离相近原则进行分组；

所述步骤S1将多个孔按距离相近原则进行分组，所述分组的原则为：

(1)将J型坡口样式进行分组，确定建立J型坡口样式的个数；

(2)通过对球体与孔相关截面数学参数的探究，确定加工孔时的起始点和结束点位置；

(3)通过对同一组多个孔位置关系的探究，确定每一组只需编制0度方位J型坡口的程序，本组其他孔J型坡口的加工通过对程序进行旋转、偏置处理来进行加工。

2.根据权利要求1所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，其特征在于：

所述步骤S2还包括以下步骤：

S21：确定加工对象毛坯状态，待加工曲面特征；

S22：根据所述步骤S21确定的待加工对象的毛坯状态及待加工曲面的特征划分加工阶段；

S23：通过所述步骤S22划分的加工阶段确定加工机床；

S24：确定加工步骤。

3.根据权利要求2所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J形坡口的加工方法，其特征在于：

所述划分加工阶段具体地为：加工前开孔，即在J型坡口中心位置开孔，J型坡口粗加工即由所述开孔后状态加工至整体形状单边留量0.5mm，J型坡口半精加工即清除J型坡口根部R角残留部分，J型坡口精加工即由仿形留量加工至符图状态。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J形坡口的加工方法，其特征在于：

通过SIEMENS NX CAD/CAM软件建立所述工件数字模型。

5.根据权利要求3所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，其特征在于：

所述粗加工需要确定使用合适直径的立铣刀、确定加工后的留量大小以及采用的切削参数；所述粗加工选用“型腔铣”铣削方式。

6.根据权利要求3所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J形坡口的加工方法，其特征在于：所述半精加工采用球头铣刀且仅对J型坡口根部R角进行切削。

7.根据权利要求3所述的薄壁不规则球形封头上系列管座孔J型坡口的加工方法，其特征在于：所述精加工采用球铣刀流线仿形的加工方式，对整个J型坡口表面进行加工去除。