基于PowerMILL的密封環(huán)高速加工數(shù)控編程研究

胡靜，宋晶，王曦崴

(1.德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034；2.大連理工大學(xué)模具研究所，遼寧大連 116024）

基于PowerMILL的密封環(huán)高速加工數(shù)控編程研究

胡靜1，宋晶2，王曦崴2

(1.德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州 253034；2.大連理工大學(xué)模具研究所，遼寧大連 116024）

密封環(huán)是一個(gè)具有特殊結(jié)構(gòu)并有較高應(yīng)用要求的零件。分析了PowerMILL軟件的特點(diǎn)，根據(jù)密封環(huán)結(jié)構(gòu)、材料和加工要求選用高速切削機(jī)床，設(shè)計(jì)了帶有工藝頭的密封環(huán)裝夾方法；通過(guò)工藝分析和相關(guān)切削實(shí)驗(yàn)，確定了密封環(huán)的主要加工刀具類(lèi)型和切削參數(shù)，通過(guò)PowerMILL的相關(guān)專(zhuān)門(mén)模塊完成密封環(huán)的粗加工、半精加工、精加工和清根加工等的數(shù)控編程，并以密封環(huán)上的筋板為例詳細(xì)分析了數(shù)控程序編制策略選擇和刀具軌跡優(yōu)化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)密封環(huán)的高精度高速數(shù)控加工。

密封環(huán)；PowerMILL；數(shù)控編程；加工工藝；刀具軌跡

文中擬研究的密封環(huán)主要應(yīng)用于特殊行業(yè)，抗沖擊力好、密封性好、精度要求比較高，但結(jié)構(gòu)又較復(fù)雜，是一個(gè)殼體結(jié)構(gòu)，尤其是該密封環(huán)上筋板上的曲面結(jié)構(gòu)。如果采用傳統(tǒng)的加工方法，不但周期長(zhǎng)，而且加工精度低；若采用人工編程則非常困難而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，特別是CAM編程技術(shù)的應(yīng)用，逐步解決了復(fù)雜曲面的加工問(wèn)題［1］。Power-MILL軟件具有強(qiáng)大的自動(dòng)數(shù)控編程能力，能夠完成該密封環(huán)的數(shù)控編程要求。

PowerMILL軟件是英國(guó)DELCAM公司開(kāi)發(fā)的一款較為獨(dú)立的CAM系統(tǒng)，可以支持各類(lèi)主流CAD系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)格式，如 IGES、VDA、STL等［2］。該軟件功能強(qiáng)大，刀具路徑規(guī)劃策略豐富，刀具路徑計(jì)算速度快，可以對(duì)輸入的模型快速產(chǎn)生粗加工和精加工的刀具路徑，而且無(wú)過(guò)切，以保證加工出高質(zhì)量的零件［3］。同時(shí)可以對(duì)刀具路徑進(jìn)行仿真和校驗(yàn)，使編制的數(shù)控程序準(zhǔn)確無(wú)誤。PoweMILL功能齊全，易學(xué)易用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域［4］。文中采用PowerMILL軟件對(duì)密封環(huán)進(jìn)行數(shù)控編程并實(shí)際加工，對(duì)比了不同加工策略對(duì)零件加工質(zhì)量的影響，特別是密封環(huán)筋板的加工質(zhì)量。

1 加工工藝安排

1.1 密封環(huán)結(jié)構(gòu)分析

該密封環(huán)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，中間體及外圍為方型結(jié)構(gòu)，有通槽、通孔、安裝孔和螺紋孔等；正面均勻分布著4個(gè)有曲面結(jié)構(gòu)的筋板，另一面還有尺寸較大的階梯孔。如圖1所示為密封環(huán)的三維圖。

圖1 密封環(huán)三維圖

1.2 加工機(jī)床選擇

該密封環(huán)的加工要求一致性高、精度高，根據(jù)密封環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、密封環(huán)的材料為40Cr等因素，需采用合理的數(shù)控加工方法進(jìn)行精密加工，以最大限度地保證密封環(huán)的質(zhì)量。同時(shí)，粗加工后要求對(duì)密封環(huán)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)到HB320～360。為提高加工效率必須選擇一臺(tái)效率高的高速切削機(jī)床，文中擬選用OkumaMB-56VA數(shù)控機(jī)床 (見(jiàn)圖2）進(jìn)行精加工，可滿(mǎn)足該工件的加工需求。該機(jī)床主要適用于精密復(fù)雜曲面、薄壁件、微小型腔和較硬材料的高速高精度加工，在保證質(zhì)量的同時(shí)能保證零件良好的力學(xué)性能。

圖2 機(jī)床外形圖

1.3 裝夾方法設(shè)計(jì)

該密封環(huán)外形屬于方形殼體結(jié)構(gòu)，整體表面都需要加工，直接采用壓板搭在工件上壓緊的方式無(wú)法加工，同時(shí)考慮變形問(wèn)題，在密封環(huán)的四周外形拐角處設(shè)計(jì)出工藝頭 (見(jiàn)圖3）。利用一根穿入M10螺桿的壓板壓住工藝頭以固定密封環(huán)的X、Y方向和繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，并保證工件裝夾穩(wěn)定。裝夾完后，將機(jī)床加工零點(diǎn)設(shè)置在密封環(huán)待加工表面的對(duì)稱(chēng)中心處。

圖3 帶有工藝頭的密封環(huán)三維模型圖

2 刀具選用與加工參數(shù)選擇

該密封環(huán)的數(shù)控加工是在高速數(shù)控機(jī)床上完成的，工序按照粗加工、半精加工和精加工的順序進(jìn)行。根據(jù)不同的加工工序，選用刀具時(shí)應(yīng)符合適用、經(jīng)濟(jì)和安全的原則［5］。

粗加工時(shí)，首先加工工件四周，留出工藝頭，根據(jù)外形尺寸的要求，選用D35R0.8銑刀進(jìn)行加工；然后加工四周通槽，由于通槽的尺寸小一些，在四周拐角處為避免擠刀，預(yù)先用D12立銑刀進(jìn)行清角，再用D21R0.8銑刀加工，通槽半精加工時(shí)，刀具不變。粗加工中間通孔時(shí)，孔的尺寸比較大，為了避免頻繁換刀，仍然選用D21R0.8銑刀，只是在孔的內(nèi)側(cè)預(yù)先加工出附加圓通槽，以去掉中間的多余的實(shí)體材料。底面的階梯孔尺寸也較大，并有精度要求，則利用D66R8刀進(jìn)行粗加工，采用D21R0.8刀進(jìn)行半精加工，使毛坯的形狀和尺寸盡量接近成品；精加工時(shí)，利用D21R0.8刀加工到位。對(duì)于帶筋板的表面即正面，粗加工時(shí)先采用D50R0.8銑刀進(jìn)行加工以切除較多的材料，獲得基本的表面外形，由于刀的尺寸比較大，粗加工完成后，筋板兩側(cè)帶有拐角的地方有殘留，利用D8端銑刀進(jìn)行清角，便于下一道工序的余量均勻，刀的受力均勻以保護(hù)刀具［6］。四周的方形臺(tái)階面及4個(gè)帶曲面的筋板，根據(jù)其形狀尺寸分別采用D21R0.8、D8和R3這3種刀具完成粗加工、半精加工和精加工。中間孔有尺寸精度要求，粗加工后，采用D8端銑刀進(jìn)行精加工，以保證精度。正面安裝孔，根據(jù)尺寸要求可以利用D21R0.8銑刀和D8進(jìn)行粗、精加工。螺紋孔根據(jù)毛坯的硬度預(yù)先加工出來(lái)。根據(jù)實(shí)際加工情況，粗加工時(shí)單邊留有2 mm余量；半精加工時(shí)，考慮變形情況單邊留有0.5 mm的余量；精加工時(shí)，達(dá)到尺寸精度要求。

經(jīng)過(guò)以上一系列的工藝分析，綜合考慮了若干次切削實(shí)驗(yàn)，最終確定了主要加工刀具的類(lèi)型和切削參數(shù)，如表1所示。

表1 刀具與切削參數(shù)

續(xù)表1

3 數(shù)控程序編制與刀具軌跡生成

PowerMILL實(shí)現(xiàn)了粗、精、清根加工編程的自動(dòng)化，而且每個(gè)工序都由專(zhuān)門(mén)的模塊完成，并與相應(yīng)的模型進(jìn)行連接，直觀性很強(qiáng)［7］。模塊化的工序設(shè)置，使設(shè)計(jì)人員能更好地進(jìn)行工藝優(yōu)化，提高加工質(zhì)量和效率。PowerMILL對(duì)高速加工中的細(xì)節(jié)進(jìn)行了控制，例如在刀具路徑尖角處以修角方式進(jìn)行處理，使刀路更加平穩(wěn)合理，減少刀具磨損；設(shè)置刀路連接方式，使刀具能夠高速地切入切出工件，保證加工路徑的合理性，有效節(jié)約加工時(shí)間，正好滿(mǎn)足了高速加工的要求［8］。PowerMILL的刀具路徑編輯模塊可以實(shí)現(xiàn)刀具路徑的變換、裁剪、分割和復(fù)制等快捷的數(shù)控編程，減少了刀具路徑的調(diào)試時(shí)間。經(jīng)過(guò)多次編程實(shí)驗(yàn)，得到最為合理的高速數(shù)控銑削加工工藝。

在密封環(huán)的整體加工中，粗加工主要運(yùn)用了偏置區(qū)域清除策略，精加工主要運(yùn)用了等高精加工和最佳等高精加工策略。下面以密封環(huán)上的筋板加工為例(每道工序的刀具路徑經(jīng)調(diào)試后得到）。由于粗加工時(shí)采用D50R0.8刀通過(guò)偏置區(qū)域清除策略已經(jīng)將筋板大體輪廓銑出，只是筋板底部側(cè)面的拐角處為半徑R5的圓角，尺寸較小，沒(méi)加工到位，有殘留。為了給下一道工序創(chuàng)造良好的等余量高速加工條件［10］，利用較小的 D8刀進(jìn)行清角，如圖4所示。

圖4 清角加工

清角完畢后，對(duì)筋板用D8刀進(jìn)行半精加工，按粗加工后的2 mm余量分6層進(jìn)行加工，每層切削0.25 mm，留得余量為0.50 mm。由于筋板為多曲面結(jié)構(gòu)，如果采用R4的球刀進(jìn)行等高精加工，根據(jù)數(shù)學(xué)原理，在平緩的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很稀疏的刀路步距，而在陡峭的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生比較密的刀路步距［9］，尤其在曲面斜率小于30°的地方，加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)倒棱，路徑不光順 (如圖5）。需改變加工策略，將筋板的表面以密封環(huán)頂平面為分界，分成上下兩部分進(jìn)行加工。

筋板曲面的上半部分采用R3的刀進(jìn)行最佳等高精加工，系統(tǒng)自動(dòng)將所加工的區(qū)域按照曲面的陡峭角進(jìn)行區(qū)分，陡峭面采用等高精加工方式，而平緩面采用偏置精加工方式。該策略綜合了等高精加工和三維偏置精加工的優(yōu)點(diǎn)，克服采用等高精加工加工平緩面時(shí)粗糙的缺點(diǎn)，保證了所加工的陡峭面和平緩面的表面粗糙度一致性［9］，其刀路光順、加工出的表面光滑，如圖6所示。

圖6 最佳等高加工筋板表面(上）

圖5 等高精加工筋板面

筋板曲面的下半部分則采用R3刀進(jìn)行等高精加工，精加工時(shí)再根據(jù)加工實(shí)際狀況分層去掉半精后的余量，將其加工到位；同時(shí)利用PowerMILL的刀路裁剪功能把不必要的路徑裁減一部分，減少了加工時(shí)間，提高了加工效率，如圖7所示。

把筋板曲面兩部分的刀具路徑程序整合起來(lái)，如圖8所示，并采用過(guò)切檢查功能以防止過(guò)切、保證加工精度。

圖8 整個(gè)筋板面

圖7 等高加工筋 板表面 (下）

4 結(jié)論

通過(guò)利用PowerMILL對(duì)密封環(huán)進(jìn)行數(shù)控編程，優(yōu)選加工筋板時(shí)的加工策略，并通過(guò)實(shí)際加工分析，達(dá)到了在切削過(guò)程中優(yōu)化走刀軌跡、防止過(guò)切和參數(shù)合理化的目的，保證了密封環(huán)的加工效率和加工質(zhì)量。該實(shí)例表明PowerMILL在CAM數(shù)控編程中發(fā)揮著極其重要的作用，顯著提高企業(yè)數(shù)控加工質(zhì)量和水平。

［1］席武軍，張辰.基于UG結(jié)合PowerMILL在螺旋齒輪數(shù)控加工中的應(yīng)用數(shù)控［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(3）:134－136.

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Research on NC Programm ing for High Speed Machining Seal Ring by Power MILL

Sealing ring is a component having higher application requirementswith special structure，which can be widely used in many applications.According to material，structure and machining requirements of sealing ring，the high-speed cutting machines were selected by analyzing the characteristics of PoweMILL，then the clampingmethod of sealing ringwith process head was designed.Themain machining tools and cutting parameters of sealing ring were determined though process analysis and related cutting experiments.NC programmings were completed by special part of PowerMILL，including roughing，semi-finishing，finishing and clean-up machining.Taking sealing ring stiffener as example，the NC programming strategy selection and tool path optimization processwere analyzed in details，by which high speed and precision machining of sealing ring was achieved.

Seal ring；PowerMILL；NC programming；Processing technology；Tool path

TG659

B

1001－3881(2014）10－068－4

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.020

2013－05－12

胡靜 (1974—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)镃AD/CAM應(yīng)用研究。E－mail:zhiyibohj@163.com。

HU Jing1，SONG Jing2，WANG Xiwei2

(1.Dezhou Technical College，Dezhou Shandong 253034，China；2.Institute of Die and Mould，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）