大型管體零件加工技術(shù)研究

李琦

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，遼寧葫蘆島125000）

1 大型管體零件相貫線加工工藝分析

在管體類(lèi)零件的加工中，兩垂直相交管體的相貫線加工是經(jīng)常遇到的情況，而且此類(lèi)零件多采用臥式鏜銑床進(jìn)行加工。由于相貫線部位是空間曲面，且形狀不規(guī)則，因此加工存在一定的難度。如果遇到相交管嘴的形狀不規(guī)則或有變形的情況，則相貫線的曲面加工更易出現(xiàn)過(guò)切或欠切等問(wèn)題。在生產(chǎn)實(shí)際中對(duì)于這類(lèi)零件主要應(yīng)采用數(shù)控加工的手段，用CAD/CAM 的方法加以實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)對(duì)UG 軟件的固定輪廓銑削功能進(jìn)行介紹，并結(jié)合一個(gè)典型零件（如圖1所示）的實(shí)際加工情況，證明采用該方法進(jìn)行管體相貫線曲面加工是行之有效的一種方法。

圖1 典型兩相交管體零件

2 UG 固定輪廓銑削簡(jiǎn)介

UG 軟件的固定輪廓銑削是一種刀具沿曲面外形運(yùn)動(dòng)的加工類(lèi)型，主要針對(duì)型腔面和復(fù)雜曲面零件的半精加工和精加工。加工時(shí)機(jī)床的X 軸、Y 軸和Z 軸聯(lián)動(dòng)。它允許通過(guò)精確控制刀具軸和投影矢量以使刀具沿著非常復(fù)雜的曲面的復(fù)雜輪廓運(yùn)動(dòng)。

固定輪廓銑的刀具路徑是通過(guò)將驅(qū)動(dòng)點(diǎn)投影至部件幾何體上來(lái)進(jìn)行創(chuàng)建的。其中驅(qū)動(dòng)點(diǎn)是從曲線、邊界、面或曲面等驅(qū)動(dòng)幾何體生成的，并沿著指定的投影矢量投影到部件幾何體上。然后，刀具定位到部件幾何體以生成刀具路徑。

該銑削方式刀具路徑生成分兩個(gè)階段：先在指定的驅(qū)動(dòng)幾何體產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后將這些驅(qū)動(dòng)點(diǎn)沿指定的矢量方向投影到零件幾何表面形成接觸點(diǎn)。具體到實(shí)際加工時(shí)，首先要定義被加工的幾何體，然后指定合適的驅(qū)動(dòng)方法、投影矢量與刀軸，再設(shè)置必要的加工參數(shù)，最后生成刀具路徑，并可以對(duì)刀具路徑進(jìn)行模擬加工。驗(yàn)證無(wú)誤后，通過(guò)后置處理生成NC 代碼就可以用于實(shí)際加工了。

3 編程步驟

3.1 創(chuàng)建操作

在建好零件模型后，進(jìn)入U(xiǎn)G 的“加工”模塊，在創(chuàng)建操作時(shí)選擇“mill_contour （型腔銑）”類(lèi)型，再選擇“FIXED_CONTOUR（固定輪廓銑）”操作子類(lèi)型，如圖2所示，點(diǎn)擊確定進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置頁(yè)面。

圖2 建固定輪廓銑操作

圖3 參數(shù)設(shè)置頁(yè)面

3.2 加工參數(shù)設(shè)置

如圖3 所示的加工參數(shù)頁(yè)面，是進(jìn)行刀具軌跡生成的主要設(shè)置頁(yè)面，可以進(jìn)行以下內(nèi)容的設(shè)定：

（1）定義幾何體

本文所列舉的零件毛坯為整體鑄造的成型件，需要加工的位置為小管嘴及與大管相交的相貫線部位。為此，在進(jìn)行相貫線部位加工時(shí)，可在“指定部件”一欄中將所加工的位置選擇為小管嘴錐面以下的部位，包含一段圓柱面與相貫線曲面兩個(gè)部分，如圖4 所示的高亮選中的部分。

為避免加工時(shí)傷及大管體，還可在“指定檢查”一欄中將大管體的表面拾取為“檢查面”。

（2）指定合適的驅(qū)動(dòng)方法

圖4 定義加工幾何體

UG 固定輪廓銑設(shè)置的關(guān)鍵在于選擇合理的驅(qū)動(dòng)方法，這也是該操作有別于其他操作的最主要的地方。兩管體相貫的圓弧過(guò)渡部分為一回轉(zhuǎn)體，根據(jù)其曲面形狀與復(fù)雜性，如本例中的加工場(chǎng)合可以將驅(qū)動(dòng)方法選擇為“曲面”，在相貫區(qū)域的外側(cè)創(chuàng)建一個(gè)圓柱面將該區(qū)域整體包裹進(jìn)去，并將該圓柱面選擇為“驅(qū)動(dòng)幾何體”，如圖5 所示。

圖5 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)面

在實(shí)際加工中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因毛坯制造精度、管體彎制過(guò)程中產(chǎn)生管件變形等情況，造成兩管在相貫區(qū)域處的曲面為非對(duì)稱(chēng)形狀，理論模型與實(shí)際部件不一致，給加工制造帶來(lái)一定難度。特別是X 方向上過(guò)渡圓弧與大管相交的兩個(gè)腰部，處理不好經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀具切入主管體的過(guò)切情況，造成工件報(bào)廢。為解決好該問(wèn)題，此時(shí)可在“切削區(qū)域”指定方式中選擇“曲面百分比”方法，進(jìn)入到如圖6 的頁(yè)面。通過(guò)前四欄選擇“起點(diǎn)-終點(diǎn)”的占整圓的百分比例，可控制圓周方向上不同的加工區(qū)域，如選擇0～50%，可實(shí)現(xiàn)上半圓弧的加工，選擇50%～75%則可實(shí)現(xiàn)左下部分區(qū)域的加工。通過(guò)對(duì)大量加工實(shí)踐的分析與驗(yàn)證，采用上、下兩個(gè)半圓分開(kāi)加工的方法是行之有效的，可以對(duì)與主管相交的兩腰部實(shí)現(xiàn)較好的加工效果。利用下兩欄“起始-結(jié)束步長(zhǎng)”的百分比控制，選擇作為驅(qū)動(dòng)體的圓柱面的投影區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)在軸向上對(duì)切削區(qū)域的控制?？梢?jiàn)，通過(guò)利用“曲面百分比方法”，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)曲面上任意加工部位進(jìn)行選擇，方便在實(shí)際加工中不斷進(jìn)行修正與補(bǔ)加工，彌補(bǔ)因管件變形產(chǎn)生的問(wèn)題。

圖6 曲面驅(qū)動(dòng)方式參數(shù)設(shè)置

通過(guò)在驅(qū)動(dòng)圓柱面上選擇“切削方向”，可以控制走刀方向?yàn)轫槙r(shí)針還是逆時(shí)針，在“切削模式”中可選擇切削方法為單向走刀、往復(fù)走刀或是螺旋線走刀。在實(shí)際加工中，采用單向走刀方式較好，可以對(duì)所用的鏜銑床進(jìn)行進(jìn)給軸反向間隙補(bǔ)償，得到較好的加工精度，但加工效率不及往復(fù)式走刀高。此外，通過(guò)按數(shù)量方式給定“步距”可以調(diào)節(jié)加工時(shí)每個(gè)切削層的層高，在切削區(qū)域不變的情況下，步距數(shù)越多，每層的進(jìn)刀量越小。一般粗加工可選擇較小的步距數(shù)，以提高加工效率，精加工選擇較大的步距數(shù)，以實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。

“投影矢量”可用來(lái)定義驅(qū)動(dòng)點(diǎn)投影到部件表面的方式和刀具要接觸的部件表面?zhèn)?，?qū)動(dòng)點(diǎn)沿著投影矢量投影到部件表面上。因?yàn)轵?qū)動(dòng)面選擇的是圓柱面，故最佳的投影矢量設(shè)置方法為“垂直于驅(qū)動(dòng)體”。

（3）設(shè)置刀具、加工余量、切削速度等加工工藝參數(shù)

在刀具設(shè)置對(duì)話(huà)框可以對(duì)所選定的加工刀具進(jìn)行設(shè)置，在“刀軌設(shè)置”一欄中可以直接選擇以前設(shè)置好的各種加工工藝參數(shù)方案，或是通過(guò)“切削參數(shù)”、“非切削移動(dòng)”和“進(jìn)給和速度”對(duì)話(huà)框進(jìn)行臨時(shí)設(shè)置。此種操作和UG 其他的加工策略類(lèi)似，在此不再贅述。

（4）生成刀具軌跡并進(jìn)行加工模擬

在設(shè)置好各種加工參數(shù)后，就可以點(diǎn)擊“生成”按鈕來(lái)生成刀具軌跡，并利用UG 的刀軌校驗(yàn)功能對(duì)所生成的刀具軌跡進(jìn)行回放與模擬，如圖7 所示為利用采用圓形刀片的盤(pán)銑刀加工上相貫線的加工軌跡模擬圖。圖8所示為真實(shí)加工后的管嘴照片，可見(jiàn)其兩管相交的相貫曲面過(guò)渡自然光滑，加工效果較好。

圖7 刀具軌跡模擬

圖8 管嘴真實(shí)加工照片

4 結(jié) 語(yǔ)

利用UG 軟件的固定輪廓銑功能，可以較好地實(shí)現(xiàn)兩相交管體相貫線的數(shù)控加工，并且能夠應(yīng)對(duì)管件彎曲變形等不利因素，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡曲面光滑平順的加工結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中收到了良好的效果。

［1］ 楊寧寧.UG 數(shù)控加工案例解析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］ 金霞，楊曉京.基于UG/CAM 模塊固定軸曲面輪廓數(shù)控銑的研究［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（11）：53－55.