管座“馬鞍形”曲面數(shù)控加工工藝與程序優(yōu)化

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 （四川自貢 643001）姚 希 林智輝 巫 山 郭光強 王冬平

我公司各類產品中常見如圖1所示的管座，需加工的部分為“馬鞍形”焊接坡口曲面（圖1中橙色部分）。為保證裝配焊接質量，該坡口曲面的加工尺寸精度要求較高。隨著新產品制造過程中，大直徑、厚壁及難加工材料的“馬鞍形”管座的出現(xiàn)，普通的靠模仿形車削加工方式愈發(fā)不能滿足制造要求。因此，我公司改在立式加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床上加工此類管座坡口曲面，使用NX CAM軟件編制數(shù)控加工程序。

NX CAM加工基本設置

建立好零件（本例中管座尺寸為φ426mm×32mm）及其毛坯模型后，進入“加工”模塊進行各項設置。

圖1 管座“馬鞍形”曲面

（1）工件坐標系的設置 首先考慮方便對刀，其次考慮X、Y軸行程。本例中工件坐標系設置在零件毛坯頂面的中心，如圖2所示。

（2）部件及毛坯的選擇 部件即為管座零件模型。創(chuàng)建毛坯時，因內外圓不需加工，毛坯與零件的內外圓尺寸一致；毛坯頂面與零件馬鞍頂點高度對齊。如圖2所示，實體部分為部件，半透明部分為毛坯。

（3）刀具創(chuàng)建 粗加工時使用圓刀片銑刀，曲面精加工時使用球頭銑刀。

NX CAM編制加工程序

（1）粗加工采用型腔銑如圖3所示，操作中沒有設置檢查體，指定切削區(qū)域為“馬鞍形”曲面，切削模式為“跟隨部件”，步距按刀具直徑的80% ，并設置切深、主軸轉速和進給率等切削參數(shù)。

最終生成的粗加工刀路（見圖4）較為混亂，加工時間長達67min。觀察其第一層的刀路 (見圖5)，可見在同一加工層上，進、退刀較為頻繁，造成空行程過多，加工效率較低。圖4、圖5中黃色為進刀，藍色為切削，白色為退刀，紅色為快速移動。加工現(xiàn)場如圖6所示。

圖2 部件與毛坯模型

圖3 型腔銑設置

圖4 粗加工刀路

圖5 粗加工第一層刀路

（2）精加工采用固定輪廓銑 如圖7所示，指定切削區(qū)域為“馬鞍形”曲面，驅動方法選擇“流線”。設置相應切削參數(shù)后，最終生成精加工刀路，如圖8所示。該刀路連續(xù)、規(guī)則，切削效率高。精加工所用時間為26min。加工現(xiàn)場如圖9所示。

NX CAM加工程序優(yōu)化

粗加工型腔銑程序中，在管座內部增加一個檢查體（圖10中紅色部分），可避免在管座內腔產生進、退刀，且可以避免刀路進入該范圍內，從而有效地減少了空行程。

設置檢查體后，不改變切削參數(shù)，生成的刀路如圖10所示，加工時間縮短為40min。觀察其第一層的刀路（見圖12），可見在同一加工層上，刀路是連續(xù)的，只有一次進、退刀。

圖13、圖14所示為管座加工現(xiàn)場和加工完的情況。

管座“馬鞍形”曲面數(shù)控加工工藝

圖6 粗加工

針對我公司實際情況，為提高管座“馬鞍形”曲面數(shù)控加工工藝手段的可操作性，我們對NX CAM軟件進行了二次開發(fā)和定制：

（1）建模模板的定制 只需在定制界面中輸入相關參數(shù)，即可生成CAM編程所需的部件和毛坯模型。

（2）加工模板的定制 對管座分類進行加工模板的定制，編程時只需選擇對應的模板即可自動生成刀具、切削參數(shù)和加工刀路等，經(jīng)較少的修改即可完成所需程序的編制。

（3）刀具庫的定制開發(fā) 將加工管座所用各型號刀具的三維模型、其適合加工的材質及對應切削參數(shù)等關鍵信息在CAM刀具庫中進行了定制，方便編程時快速選擇刀具，并進行有效的加工仿真。

（4）機床仿真與工裝夾具庫的定制 對所用的機床進行了仿真定制，并建立了工裝夾具的三維實體庫，可進行有效的加工檢驗。

（5）后處理器的定制 對所用的各類機床分別開發(fā)了專用的后處理器，生成的G代碼程序安全可靠。

直徑和馬鞍落差量較小的管座，采用自定心卡盤進行裝夾。針對大直徑、馬鞍落差量大的管座，進行了專用工裝夾具的開發(fā)（見圖15），擴大了管座加工的尺寸范圍，并提高了工件的裝夾效率，避免了在加工“馬鞍形”曲面底部時機床主軸與夾具發(fā)生干涉。

圖7 固定輪廓銑設置

圖8 精加工刀路軌跡

圖9 精加工

圖10 粗加工程序中添加內部檢查體

圖11 優(yōu)化后的粗加工刀路

圖12 優(yōu)化后的粗加工第一層刀路

圖13 正在加工中的管座

圖14 加工成型的管座

由此，我們開發(fā)出了一套管座“馬鞍形”曲面數(shù)控加工的工藝方案。通過數(shù)控加工手段的引入，管座在下料時長度方向不用考慮工藝余量，可直接按照設計尺寸定長下料。臥式車床上完成內徑和倒角加工后，在數(shù)控機加設備上通過“馬鞍形”曲面的粗、精加工，即可完成整個管座的加工，縮短了工藝流程，且大大提高了加工質量，并解決了大直徑、厚壁及難加工材料管座的加工難題。

圖15 大尺寸管座夾具示意圖

結語

該管座“馬鞍形”曲面的數(shù)控加工工藝，已經(jīng)廣泛應用于公司生產中。根據(jù)對實際加工情況的統(tǒng)計，經(jīng)過程序優(yōu)化后，其平均單件加工時間能夠縮短約40%，大大提升了加工效率，同時降低機床能耗約40%。管座尺寸越大、“馬鞍形”曲面落差量越大，其加工效率提升越明顯。