基于powermillPDC石油鉆頭本體的五軸聯(lián)動數(shù)控加工的應(yīng)用

王如軍

摘? ?要：分析PDC石油鉆頭本體的五軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝，通過合理選擇powermill軟件的加工策略，設(shè)置合理的刀軸控制方式，運(yùn)用3軸加工，3+2軸加工和五軸聯(lián)動方法生成程序，經(jīng)后處理產(chǎn)生NC代碼，通過五軸加工中心進(jìn)行產(chǎn)品加工，尤其在鉆頭切削刃上部的半精加工和精加工采用SWARF加工策略，大大縮短了加工時間，提高生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：石油鉆頭? 五軸聯(lián)動? SWARF加工

PDC（Polycrystalline Diamond Compact 聚晶金剛石復(fù)合片）石油鉆頭屬于結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜的孔加工工具，其形狀比較特殊，石油鉆頭本體的每個切削刃有許多鑲嵌金剛石的盲孔，鉆頭依靠這些金剛石刀片進(jìn)行切削，此款鉆頭較前期的鉆頭有所改進(jìn)，其在金剛石刀片的根部增加支撐，改善鉆頭的受力，鉆頭的應(yīng)力分布，從而大大改善鉆頭的壽命。傳統(tǒng)的三軸數(shù)控加工很難滿足此類零件的加工要求，且工藝復(fù)雜，加工時間長，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量和時效性。而五軸聯(lián)動的數(shù)控加工，可在一次裝夾的情況下，加工五個面，在直紋面和斜面時利用刀具的側(cè)刃和底刃進(jìn)行加工，提高了加工效率和質(zhì)量，大大縮短產(chǎn)品制造周期。

1? 工藝分析

石油鉆頭的本體最大外形尺寸為248mm×293mm，曲面較多，局部最小半徑4mm，而且鉆頭根部的拔模角為負(fù)值，孔的軸向都不一樣。

根據(jù)以上情況，機(jī)床選用DMG五軸加工中心DMU50。該機(jī)床性能穩(wěn)定，其機(jī)床精度是0.005mm。該機(jī)床工作參數(shù)為：X軸行程范圍為-450～0mm;Y軸行程范圍為-580～0mm;Z軸行程范圍為-480～0mm;B軸行程范圍為-5～110°;C軸行程范圍為0～360;最高轉(zhuǎn)速16000r/mm，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的要求。

由于鉆頭上有許多孔，在粗加工時，這些孔會生成刀具軌跡，會減慢機(jī)床的速度，故在加工孔前將孔全部補(bǔ)全。由于鉆頭尺寸較大，考慮對刀具的要求，將鉆頭的加工分為兩個區(qū)域，分別是石油鉆頭切削刃上部和石油鉆頭切削刃根部。

1.1 石油鉆頭本體的加工工藝

（1）鉆頭切削刃部上部的三軸開粗;

（2）鉆頭切削刃部根部3+2軸定向開粗;

（3）鉆頭切削刃上部表面的半精加工和精加工;

（4）鉆頭切削刃根部表面的半精加工和精加工;

（5）銑削孔;

（6）銑削螺紋。

1.2 編寫五軸加工程序

（1）刀具的選擇。

刀具的選擇應(yīng)根據(jù)機(jī)床的性能，產(chǎn)品的形狀，加工材質(zhì)和加工的成本等方面考慮。在粗加工時盡可能選擇刀具直徑較大的平底刀或者盤銑刀，材料切除率較高，二次開粗選用合適的立銑刀，半精加工和精加工選用合適的球刀，如表1。

2? 程序編寫

（1）鉆頭切削刃上部開粗。

由于鉆頭切削刃上部的去除材料較多，所以在開粗是采用?63方肩盤銑刀，?20機(jī)夾刀，和?12立銑刀二次開粗，首先使用?63方肩盤銑刀開粗，選用的加工策略為模型區(qū)域清除，打開加工策略表格，設(shè)置切削參數(shù)，下切步距每層1mm，加工余量0.5mm，勾選允許刀具在平坦面以外，應(yīng)用策略，計算刀軌，計算完成后進(jìn)行碰撞檢查和過切檢查。

二次開粗，創(chuàng)建殘留模型，將?63方肩盤銑刀開粗程序添加到殘留模型，計算得到殘留模型，使用?20機(jī)夾刀和?12的立銑刀進(jìn)行二次開粗，選用的加工策略為模型區(qū)域清除，打開加工策略表格，設(shè)置切削參數(shù)，勾選殘留加工，在殘留對話框中，選擇殘留模型， 下切步距每層1mm，加工余量0.5mm，應(yīng)用策略，計算刀軌。這樣生成的刀具軌跡避免空刀，提高生成效率。之后可以用?12的立銑刀進(jìn)行開粗，方法同上。

（2）鉆頭切削刃根部開粗。

鉆頭切削刃根部開粗采用的是?20機(jī)夾刀進(jìn)行3+2軸定向加工，此加工區(qū)域為圓柱的外表面，可將此區(qū)域3等分，依次加工，加工策略選用模型區(qū)域清除，創(chuàng)建新坐標(biāo)系，運(yùn)用用戶坐標(biāo)系對齊于幾何形體，選擇合適的表面，建立用戶坐標(biāo)系，加工深度可以在下切歩距中通過手動設(shè)置，根據(jù)刀具伸出的長度靈活設(shè)置，其他參數(shù)合理設(shè)置，應(yīng)用策略，計算刀軌。

（3）鉆頭切削刃上部半精加工和精加工。

鉆頭切削刃上部側(cè)面通過分析由直紋面組成，采用SWARF精加工策略，可以大大縮短加工時間，通過設(shè)置合理的參數(shù)，可以得到刀具軌跡。鉆頭切削刃上部頂面由多個曲面組成，如果每個面單獨(dú)加工比較繁瑣，此處考慮添加輔助曲面，采用曲面投影精加工，刀軸設(shè)置為指向點(diǎn)（0，0，-300），通過合理設(shè)置其他參數(shù)，可以得到刀具軌跡。半精加工和精加工使用的相同的加工策略，唯一不同就是加工余量的設(shè)置。鉆頭切削刃上部底面，采用最佳等高精加工策略，通過合理設(shè)置其他參數(shù)。

（4）鉆頭切削刃根部半精加工和精加工。

此部分根據(jù)零件的形狀同樣也采用兩種加工策略，一種加工策略是曲面精加工，刀軸設(shè)置為指向點(diǎn)（0，0，-300），通過合理設(shè)置其他參數(shù)，可以得到刀具軌跡。另一種加工策略是平面投影精加工，通過合理設(shè)置其他參數(shù)，可以得到刀具軌跡。

（5）鉆頭孔加工。

鉆頭孔加工，采用鉆孔策略，循環(huán)類型選擇螺旋，采用螺旋銑孔的方式加工，銑孔要有特征，通過特征對話框，勾選“多軸”和“通過不完整的孔產(chǎn)生”點(diǎn)擊“應(yīng)用”，即可產(chǎn)生孔的特征要素，在點(diǎn)擊鉆孔策略，通過合理設(shè)置其他參數(shù)，可以得到刀具軌跡。螺紋銑削加工與孔加工策略相同。

3? 零件加工

（1）后處理。

選擇與DMU50數(shù)控機(jī)床相匹配的后處理程序，生成機(jī)床可以識別的代碼。通過海德漢公司的傳輸軟件，將加工程序傳輸?shù)綑C(jī)床。

（2）零件的加工。

在機(jī)床上進(jìn)行零件加工的流程為：①安裝毛坯，此處采用壓板將毛坯安裝于工作臺（車床加工的工序已經(jīng)完成）。②安裝刀具，根據(jù)程序中設(shè)定的刀具，一一對應(yīng)的安裝到刀庫，同時要將刀具伸出長度比軟件中設(shè)定的略長，此處的刀長必須為絕對刀長。③設(shè)定加工坐標(biāo)系，XY方向的零點(diǎn)位于毛坯的中心，Z向的零點(diǎn)位于毛坯的最上表面。④零件加工，依次調(diào)入相應(yīng)的數(shù)控程序加工工件。

4? 結(jié)語

通過POWERMILL軟件的編程，將此鉆頭分為鉆頭切削刃上部和鉆頭切削刃根部兩加工區(qū)域，尤其在鉆頭切削刃上部表面半精加工和精加工采用SWARF精加工策略，通過五軸聯(lián)動的技術(shù)進(jìn)行表面的半精加工和精加工，替代傳統(tǒng)用球頭銑刀加工，大大縮短加工時間，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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