專利名稱：一種彎管內表面的五軸數控銑削加工方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數控加工領域，特別涉及一種采用五軸數控銑床加工彎管內表面的加工方法。
背景技術：
UG軟件是一個以CAD/CAM/CAE —體化而著稱的計算機輔助設計制造系統(tǒng)，目前已廣泛應用于航空、航天、汽車、通用機械等領域。UG作為一款高端的CAD/CAM軟件，在多軸數控加工各類曲面或復合型面中的應用不僅提高了效率，而且提高了程序的正確性和安全性，降低了生產成本，提高了加工質量。UG軟件的加工模塊功能十分強大，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)質的完成零件的加工，才能充分發(fā)揮其強大的CAD/CAM功能，更好的為工業(yè)生產服務。對于彎管類零件的表面機械加工，鑒于其曲面的復雜性，一直是零件加工的難點。 多數彎管類零件的加工方法是，先制造直管，然后通過彎管機來進行彎曲最終成型。這種加工方式免去了對彎管的復雜曲面加工，簡化了制造過程。但是，彎制過程對表面質量有很大的損傷。對表面質量要求高的彎管類零件，必須通過最終的表面機械加工來獲取預期的表面質量。這類彎管類零件的制造方式有兩種，一種是先制造彎管毛坯件，然后進行表面機械加工；另一種是先制造直管，然后彎制，最后再進行表面機械加工，最終得到預期的表面質量。例如核電站主管道的制造，就是通過鑄造成型或通過鍛造彎曲后再進行表面機械加工。彎管的內表面是一種特殊的復雜曲面，是一種細長異形封閉腔構造。內表面由于彎曲帶來的不僅是表面曲率的變化，還有空間區(qū)域的干涉問題，加工時容納刀具的區(qū)域嚴重受限。其加工工藝要求優(yōu)化刀具路徑，即在刀具容許的空間內，完成整個內表面的加工的同時，避免切削過程中的切削負荷的突變，降低給刀具和零件帶來的沖擊，延長刀具壽命， 保證加工質量。目前國外沒有公開發(fā)表的彎管內表面加工方法及設備，國內發(fā)明專利申請?zhí)枮?00910210449. X，煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司的“AP1000核電技術一回路主管道彎管內孔精加工設備”的專利采用可擺動的動力鏜削頭，來完成彎管內表面的加工。該設備采用的方法控制算法簡單，但由于鏜削動力頭的運動是機床主軸運動和角度調節(jié)步進電機運動的復合運動，加工精度低；而且該設備是專用設備，通用性較差。針對核電主管道彎頭內表面的機械加工，發(fā)明專利申請?zhí)枮?01010100315. 5，煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司的“核電站一回路主管道彎頭內孔機加工專用設備”的專利是通過錐齒輪系連接主軸電機和鏜刀，形成和彎頭彎曲直徑大小一致的彎鏜桿來進行內表面的加工。該設備針對只有彎曲弧線段的彎管的內表面加工，刀具運動也是復合運動，傳動機構復雜，精度較低，對連接有直線段的彎管不適用。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術難題是克服現有技術的缺陷，特別是機械加工彎管類零件內表面十分困難的技術難題。通過規(guī)劃刀具軌跡和優(yōu)化工藝過程，提供了一種實用高效的彎管內表面加工方法。在采用五軸數控加工設備和加長球頭刀具等工具，利用UG軟件對彎管內表面進行數控加工。該方法克服了現有技術通用性差，加工精度低的不足。本發(fā)明采用的技術方案是加工方法基于UG軟件、采用五軸數控加工設備和球頭刀具加工，其特征是，采用加長球頭刀具1對彎管零件2內表面進行加工，加工前要進行加工區(qū)域劃分、刀具軌跡規(guī)劃、刀軸與工件的干涉處理；對被加工的彎管零件進行一次裝夾定位；加工中刀具切削運動是沿彎管內表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過彎管端部的圓心；將內表面加工區(qū)域劃分為左右對稱的四個區(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，刀具從彎管內退出，移動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)在五軸機床上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放于五軸機床的工作臺上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對稱的特點，通過對刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機床自身的五軸加工球坐標系的中心重合；然后在水平面內調整彎管的位置，使工件在機床坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置保持一致；最后擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；(2)利用UG的CAM模塊編制內表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據彎管左右對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、III、IV;b然后在UG軟件的加工模塊進行五軸加工編程；彎管內表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管內表面劃分的四個加工區(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 ；整個內表面加工過程中，使用同一把加長的球頭銑刀，C刀軌生成控制設置如下，根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深 、進給量f、轉速V。的值；直線段采用側刃切削，走刀方式為沿彎管內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給； 弧線段加工采用朝向固定點的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點為固定點，加工中保證加長球頭刀具的軸線要通過此固定點；走刀方式仍為沿內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給；d通過二維和三維動態(tài)仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞等問題，驗證刀軌的正確性；e根據所使用的數控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉動，形成機床能識別的G代碼；(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給五軸機床，對彎管進行實際切削加工； 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退出，移動到彎管右端，對彎管的第三、第四區(qū)域III、IV進行加工，完成整個彎管內表面的加工，加工結束。本發(fā)明具有的明顯效果是機床主軸直接帶動刀具進行切削運動，保證了運動軌跡的傳遞準確性，加工精度易于保證；解決了加工彎管內表面的干涉問題，有效降低了切削沖擊載荷；同時該方法的適用條件通用性高，在通用五軸機床設備就可以實現彎管類零件的內表面加工，突破了必須采用專用設備的局限。切削狀態(tài)穩(wěn)定，表面質量好，效率高。該方法適用于由直線段和弧線段連接構成的各類彎管類零件的內表面加工，尤其長徑比大、彎曲角度大的彎管類零件。


附圖1是彎管內表面加工示意圖，其中1是加長球頭刀具；2是彎管零件。
附圖2是彎管內表面加工區(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。
具體實施例方式結合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
，附圖1是彎管內表面加工示意圖，如圖所示，機床主軸直接帶動加長球頭刀具1進行切削運動，加工中刀具切削運動是沿彎管零件2內表面圓周方向，保證刀軸中心線始終過彎管端部的圓心這一固定點；加工完彎管的左端第一、第二區(qū)域I、II后，刀具從彎管內退出，移動到彎管的右端加工第三、 第四區(qū)域III、IV，見附圖2 ；具體步驟如下，具體實施的加工對象是典型的彎管類類零件，結構對稱，外表面光滑無附屬結構， 直線段和弧線段相切連接。零件基本尺寸是彎管內徑Φ 157mm、外徑Φ 183mm、弧線段彎曲角度為56. 4°、兩端直線段長度均為100mm，見附圖2 ；彎管零件加工流程見附圖3。(1)加工開始，準備實施條件UG軟件、五軸加工機床、刀具和夾具；(2)在五軸機床上對彎管進行定位和夾緊，同時在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床的工作臺上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對稱的特點，通過對刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機床自身的五軸加工球坐標系的中心重合；然后在水平面內調整彎管的位置，使工件在機床坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置保持一致；最后擰緊螺母， 夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；編制內表面加工的程序本例選用UG軟件進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，依據彎管左右對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域I、II、III、IV，見附圖2 ；b然后在UG軟件的加工模塊進行五軸加工編程；彎管內表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管內表面劃分的四個加工區(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 ；整個內表面加工過程中，使用一把加長的球頭銑刀，刀軌生成控制設置如下，①直線段采用側刃切削，走刀方式為沿彎管內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給；弧線段加工采用朝向固定點的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點為固定點，加工中保證加長球頭刀具的軸線要通過此固定點；走刀方式仍為沿內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給；②根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深ap、進給量f、轉速V。的值；直線段粗加工切深3mm，進給步數為200，轉速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm, 進給步數為500，轉速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進給步數為1000，轉速3000r/min ；弧線段粗加工切深3mm，進給步數為300，轉速1600r/min ；半精加工切深0. 5mm, 進給步數為600，轉速2000r/min ；精加工切深0. 3mm，進給步數為1200，轉速3000r/min ；③設置刀具的非切削運動；進退刀動作均沿彎管直線段方向，刀軸和管道直線段平行，進刀時，刀具由直線段的端部圓心點出發(fā)運動到直線段和弧線段相接部分的圓心點；然后刀具逐步擺動到和切削角度一致位置，同時沿曲面法向逼近工件，逼近距離設置為 15mm;最后沿曲面法向入刀至切削部位，開始切削，入刀距離設置為10mm。退刀動作和進刀動作相反；c通過二維和三維動態(tài)仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞等問題，驗證刀軌的正確性；d根據所使用的數控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉動，形成機床能識別的G代碼；(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給五軸機床，對彎管進行實際切削加工； 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退出，移動到彎管右端，對彎管的第三、第四區(qū)域III、IV進行加工；(4)加工結束，完成整個彎管內表面的加工。(5)加工完成后的檢測表明，內表面整體質量均勻，達到了預期的Ra3. 2的表面粗糙度目標。該方法適用于加工由直線段和弧線段連接構成的大中小型的彎管類零件內表面， 尤其是長徑比大、彎曲角度大的彎管類零件，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，表面質量好，效率高。
權利要求
1. 一種彎管內表面的五軸數控銑削加工方法，加工方法基于UG軟件，采用五軸數控加工設備和球頭刀具進行加工，其特征是，采用加長球頭刀具(1)對彎管零件(2)內表面進行加工，加工前要進行加工區(qū)域劃分、刀具軌跡規(guī)劃和刀軸與工件的干涉處理；對被加工的彎管零件進行一次裝夾定位；加工中刀具切削運動是沿彎管內表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過彎管端部的圓心；將內表面加工區(qū)域劃分為左右對稱的四個區(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，刀具從彎管內退出，移動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)在五軸機床上對彎管進行定位和夾緊，首先將彎管平放于五軸機床的工作臺上，用壓板壓住彎管外表面，但不擰緊螺母；然后利用彎管對稱的特征，通過對刀找到彎管的幾何中心，使該幾何中心和機床自身的五軸加工球坐標系的中心重合；然后在水平面內調整彎管的位置，使工件在機床坐標系中的位置和三維模型在加工坐標系中的位置一致；最后擰緊螺母，夾緊彎管，確保零件在加工過程中不移動位置；(2)利用UG的CAM模塊編制內表面加工程序；a首先建立彎管的三維模型，依據彎管左右對稱的特征，分為四個加工區(qū)域，即第一、第二、第三、第四區(qū)域(I、II、III、IV)；b然后在UG軟件的加工模塊進行五軸加工編程；彎管內表面加工分為粗加工、半精加工和精加工三個階段；按彎管內表面劃分的四個加工區(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)；整個內表面加工過程中，使用同一把加長的球頭銑刀；c刀軌生成控制設置如下，根據工件材料、刀具剛性和表面質量的目標預期值等來確定切深ap、進給量f、轉速ν。 的值；直線段采用側刃切削，走刀方式為沿彎管內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給；弧線段加工采用朝向固定點的刀軸控制方式，選取彎管端部的圓心點為固定點，加工中加長球頭刀具的軸線要通過此固定點；走刀方式仍為沿內表面圓周方向，進給方式為螺旋進給；d通過二維和三維動態(tài)仿真模擬加工過程，確認整個加工過程沒有過切和碰撞問題，驗證刀軌的正確性；e根據所使用的數控機床對刀軌進行后處理，將工件坐標系下的刀位點坐標轉換成五軸機床坐標系中各軸的平動和轉動，形成機床能識別的G代碼；(3)通過計算機將后處理的加工程序傳輸給五軸機床，對彎管進行實際切削加工；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退出，移動到彎管右端，對彎管的第三、第四區(qū)域(III、IV)進行加工，完成整個彎管內表面的加工后，加工結束。
全文摘要
本發(fā)明一種彎管內表面的五軸數控銑削加工方法屬于數控加工領域，特別涉及一種采用五軸數控銑床加工彎管內表面的加工方法。該加工方法基于UG軟件，采用五軸數控加工設備和加長球頭刀具對彎管零件內表面進行加工，加工前要進行加工區(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行一次裝夾定位；加工中刀具切削運動是沿彎管內表面圓周方向，始終保證刀軸中心線過彎管端部的圓心。本發(fā)明突破了必須采用專用設備的局限，切削狀態(tài)穩(wěn)定，表面質量好，效率高。該方法解決了加工彎管內表面的干涉問題，有效降低了切削沖擊載荷；適用于長徑比大、彎曲角度大的彎管類零件加工。
文檔編號B23C3/00GK102166665SQ201010620479
公開日2011年8月31日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者劉巍, 孫建立, 楊連文, 王續(xù)躍, 高航 申請人:大連理工大學