圓錐面孔群的數(shù)控編程加工與應(yīng)用

廖世超 譚萬斌

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

目前全球有機(jī)硅需求正在迅速增長，有機(jī)硅正進(jìn)入新一輪增長期[1]，用于制造有機(jī)硅的流化床反應(yīng)器的需求量也在逐步增加。流化床反應(yīng)器是指氣體在由固體物料或催化劑構(gòu)成的沸騰床層內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備，又稱“沸騰床反應(yīng)器”[2]。而氣體分布板作為流化床反應(yīng)器重要的零部件之一，其工作時(shí)承受高溫與高壓，氣體分布板最顯著特征為分布于其表面上的孔數(shù)眾多，本次加工的氣體分布板孔數(shù)達(dá)1萬組之多。

通常氣體分布板為圓柱體平板，則孔群分布在同一平面，每組孔的起鉆點(diǎn)、鉆出點(diǎn)、抬刀點(diǎn)均相同，采取手工或宏程序編程能很容易實(shí)現(xiàn)加工。而本次加工的氣體分布板為圓錐體，孔群呈圖1所示等邊三角形分布于錐面上，同時(shí)為非向心排列，再由于孔群分布在圓錐面上，所以較以往簡單分布在XY平面的孔群多了一個(gè)Z軸的位移，故相應(yīng)的每個(gè)孔起鉆點(diǎn)、鉆出點(diǎn)、抬刀點(diǎn)多數(shù)不等高，且規(guī)律難尋，加工難度大。經(jīng)查目前行業(yè)內(nèi)尚未形成圓錐面孔群加工的一套系統(tǒng)性且高效的加工方式。

為高效實(shí)現(xiàn)本次氣體分布板圓錐面孔群的加工，需解決以下幾個(gè)方面的問題：

(1)鉆孔的合理順序；

(2)鉆頭錐面的定心、過程中斷屑、整體剛性、耐用度等問題；

(3)圓錐面孔群加工較優(yōu)路徑規(guī)劃問題；

(4)現(xiàn)場(chǎng)加工如何進(jìn)一步提升效率的問題。

針對(duì)上述問題，本文從工藝路線分析、刀具選擇、UG數(shù)控編程及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用方面入手來建立一套系統(tǒng)且高效的加工圓錐面孔群的方法。

圖1 孔群的排列及結(jié)構(gòu)Figure 1 Arrangement and structure of holes group

1 工藝路線分析

本次加工的氣體分布板1萬余組孔詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含4處要素：孔口倒角、M12螺紋、?10 mm平底孔、?5 mm通孔。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為避免斜面或錐面使鉆頭無法定心導(dǎo)致受力不均而產(chǎn)生斷裂等不利情況發(fā)生，一般不直接在斜面或錐面上鉆孔，因此首先需在氣體分布板的錐面每組孔位置上锪一小平面，幫助鉆頭定心。同時(shí)根據(jù)臺(tái)階孔加工先大孔后小孔原則可知，在加工?5 mm通孔前，需先加工?10 mm平底孔，這樣效率更高。雖然?5 mm鉆深只有5.5 mm深，但由于刀具干涉原因，?5 mm鉆頭有效長度仍然需≥57 mm，這使?5 mm鉆頭超過10倍直徑，屬于細(xì)長桿，那么如果?5 mm鉆頭直接在?10 mm平底孔底面鉆孔，會(huì)由于剛性差而失穩(wěn)，從而導(dǎo)致鉆頭折斷等不利情況發(fā)生，因此在加工?5 mm孔前，需給?5 mm鉆頭提前鉆出起支撐及定心作用的引導(dǎo)錐孔。為了提升加工效率，非關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)盡可能減少一些步驟，故考慮將孔口倒角工步與其余鉆孔工步合并同時(shí)進(jìn)行，由于孔數(shù)較多，需加工完每組孔同一要素后，再換刀加工另一要素。綜上分析，較合理的加工路線有圖2所示的兩種方式。

圖2 加工路線圖Figure 2 Processing route map

進(jìn)一步結(jié)合圖1孔結(jié)構(gòu)圖分析方式1與方式2，方式1需要6種刀具，即非標(biāo)锪平鉆頭(帶倒角刃)、?10 mm平底鉆頭、M12底孔鉆頭、引導(dǎo)孔鉆頭、?5 mm鉆頭、M12絲錐。而實(shí)際生產(chǎn)需要考慮成本因素，則需盡可能減少鉆頭的種類來降低成本，經(jīng)分析考慮锪平鉆與?10 mm鉆在盲孔階段可選用同一平底鉆為較優(yōu)考慮，因此方式2只需5種刀具，即?10 mm平底鉆頭、非標(biāo)M12底孔鉆頭(帶倒角刃)、引導(dǎo)孔鉆頭、?5 mm鉆頭、M12絲錐。故本次氣體分布板圓錐面孔群加工，采取方式2的工藝路線。

2 刀具選擇

2.1 鉆頭的選擇

由圖1可知?10 mm盲孔的加工深度占總深的90%，因此該階段在保證粗糙度Ra3.2 μm及尺寸精度的同時(shí)更要考慮提升加工效率，故選取整體硬質(zhì)合金鉆頭能提高轉(zhuǎn)速與進(jìn)給?？霞{B707A-FBL-?10型整體硬質(zhì)合金平底鉆鉆頭為KCMS15材質(zhì)，是一種采用TiAlN-TiN-PVD納米涂層的細(xì)晶粒硬質(zhì)合金材質(zhì)，具有耐磨度高及加工表面光潔度高的特點(diǎn)。該平底鉆有兩處過中心的有效切削刃，可以保證快速的進(jìn)給率，且該鉆頭具有4條刃帶，能改善加工孔的直線度與圓度。同時(shí)該鉆頭具備內(nèi)冷卻孔，加工時(shí)冷卻液能隨鉆頭冷卻孔噴出，在冷卻刀具的同時(shí)利用液體沖出鐵屑，極大的延長了鉆頭的使用壽命。

擴(kuò)孔及倒角鉆為非標(biāo)準(zhǔn)刀具，需根據(jù)圖紙要求設(shè)計(jì)，為了提升加工效率，仍然選取整體硬質(zhì)合金材質(zhì)，由于加工深度較淺，且排屑孔間距足夠，為降低刀具制造難度，故不作內(nèi)冷卻孔設(shè)計(jì)。

引導(dǎo)鉆的選取需考慮是否能有效加工出?5 mm引導(dǎo)孔的同時(shí)不干涉?10 mm孔壁，故選取?8～9 mm麻花鉆即可。對(duì)于?5 mm鉆頭的選取，由于?10 mm盲孔已經(jīng)鉆出，且?5 mm孔加工深度僅5 mm左右，為平衡成本因素，選取普通高速鋼麻花鉆即可滿足加工要求。攻孔口M12螺紋刀具為標(biāo)準(zhǔn)絲錐，選取通用型號(hào)即可。

2.2 刀柄的選取

要提高加工效率，就必須提高轉(zhuǎn)速與進(jìn)給，本次加工選用的液壓刀柄夾緊原理為擰緊螺栓帶動(dòng)活塞推動(dòng)液壓介質(zhì)，向油腔內(nèi)擠壓，使刀柄的膨脹壁膨脹，抱緊刀具實(shí)現(xiàn)夾持，由于油腔內(nèi)的介質(zhì)是液體，所受的壓力是均勻的，所以在整個(gè)夾持過程中使刀具很好地保持在刀柄的中心上，保證了很高的夾持精度及足夠的夾緊力，安裝也十分簡便，只需調(diào)節(jié)桿部螺釘。因此選用液壓刀柄能保證高轉(zhuǎn)速下的回轉(zhuǎn)精度，在提高效率的同時(shí)，也能獲得很好的加工質(zhì)量。

3 UG數(shù)控編程

3.1 鉆孔模型建立

建模前通過分析本次加工的氣體分布板的特點(diǎn)，知其存在對(duì)稱關(guān)系，故建模時(shí)只需建14部分即可，這也能減少后期數(shù)控編程的運(yùn)算時(shí)間。根據(jù)圖紙尺寸利用UG的陣列功能快速在氣體分布板的14模型上作出2500余處孔的位置點(diǎn)，由于鉆孔為點(diǎn)位加工方式，故并不需要作出這2500余組孔的具體結(jié)構(gòu)，這能為后期數(shù)控程序的編制節(jié)約大量計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間。

由于孔數(shù)眾多，可利用UG的“類型過濾器”里的“點(diǎn)”選型，快速框選所作點(diǎn)，利用狀態(tài)欄上顯示的數(shù)目，對(duì)照?qǐng)D紙核對(duì)所作點(diǎn)是否有誤。

3.2 鉆孔程序編制及路徑優(yōu)化

數(shù)控編程以研究編制?10 mm盲孔階段程序?yàn)槔?，其余鉆孔階段編程方式類似。進(jìn)入U(xiǎn)G加工模塊，為方便后期程序鏡像處理及安全考慮，把加工坐標(biāo)系原點(diǎn)及安全平面設(shè)置在工件回轉(zhuǎn)中心且在水平最高位置處(見圖3)，這樣操作的優(yōu)點(diǎn)是如果后期處理為某些固定循環(huán)指令，則能統(tǒng)一使鉆頭每次退刀均在安全平面，不會(huì)發(fā)生刀軌跨越時(shí)與斜面干涉的情況。

在定義好加工坐標(biāo)系、零部件幾何體后，創(chuàng)建“孔加工”子程序。通過“指定孔”框選前述所作2500余處點(diǎn)，選中后每個(gè)點(diǎn)旁邊會(huì)顯示順序數(shù)字，可以根據(jù)這些數(shù)字再次確認(rèn)點(diǎn)數(shù)是否有誤，同時(shí)該數(shù)字也決定后期鉆孔的先后順序。

如果不優(yōu)化會(huì)發(fā)現(xiàn)這些數(shù)字順序排列不合理，鉆孔路徑重復(fù)太多，如圖4所示，路徑總長約為608 m。

圖3 加工坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置Figure 3 Origin setting of the machining coordinate system

圖4 未優(yōu)化刀軌路徑示意及長度Figure 4 Unoptimized tool path and length

圖5 常規(guī)優(yōu)化示意圖Figure 5 Schematic diagram of conventional optimization

圖6 人工智能優(yōu)化示意圖Figure 6 Schematic diagram of artificial intelligenceoptimization

而孔群加工路徑規(guī)劃問題行業(yè)內(nèi)研究較多，在數(shù)學(xué)上可歸納為“Traveling Salesmen Problem”問題：有n個(gè)城市(孔)，有1個(gè)商人(刀具)從任意1個(gè)城市(孔)出發(fā)，走遍(加工到)n個(gè)城市(孔)，規(guī)定每個(gè)城市(孔)只能經(jīng)過1次。這也是典型的組合優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)描述為[3]：

(1)

(2)

(3)

(4)

Xij∈{0,1}；i，j=1，2，…，n；i≠j

(5)

其中公式(5)中Xij=1表示鉆頭選擇從孔i到孔j的路徑，Xij=0表示鉆頭不選擇這條路徑；公式(2)、(3)要求鉆頭從孔i到孔j只有1次；式(4)約束任何1個(gè)孔子集中不形成圈，目前求解該問題方法可以分為兩類：常規(guī)優(yōu)化法及人工智能優(yōu)化法，其相關(guān)研究資料較多，本文不再贅述。相應(yīng)在UG編程優(yōu)化方式為：進(jìn)入“選擇或編輯孔幾何體”對(duì)話框，通過里面的“優(yōu)化”選項(xiàng)調(diào)整鉆孔順序，使刀軌路徑縮短，圖5為采用常規(guī)優(yōu)化法里的X或Y單向優(yōu)化的方式優(yōu)化后的刀軌示意圖。

由圖5可知優(yōu)化后鉆孔路徑總長度約為87.7 m，對(duì)比圖4所示未優(yōu)化路徑縮短了85.6%。同時(shí)UG軟件還提供類似人工智能優(yōu)化法里的遺傳算法方式優(yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知優(yōu)化后鉆孔路徑總長度約為87.1 m，對(duì)比圖4所示未優(yōu)化路徑縮短了85.7%。綜上分析本次鉆孔路徑選取圖6所示方案。

完成鉆頭路徑優(yōu)化后，即可指定氣體分布板的上錐面為“頂面”、刀具設(shè)置為與現(xiàn)場(chǎng)加工鉆頭尺寸一致。較重要部分是“循環(huán)類型的設(shè)置”選擇“啄鉆”，把總鉆削深度分解為多次鉆削動(dòng)作，每次鉆一定深度又退刀排屑，在加工某些不易斷屑的情況下使用，避免鐵屑過長纏繞刀具，使鉆頭斷裂或需人為停機(jī)清理鐵屑等不利情況發(fā)生。本次加工材料為Q345R，材質(zhì)本身較軟，鐵屑不易折斷，且在選用刀具階段考慮提高鉆尖強(qiáng)度適應(yīng)大進(jìn)給，所以鉆頭未磨出較大前角與斷屑臺(tái)，故鉆頭本身斷屑能力差，同時(shí)由圖1可知?10 mm孔鉆深較大，故為避免實(shí)際鉆孔鐵屑纏繞刀具，因而通過數(shù)控程序設(shè)置為“啄鉆”方式，每次恒定鉆深設(shè)置為6 mm，總深設(shè)置為圖紙要求數(shù)值?！白钚“踩嚯x”即退刀高度的設(shè)置，考慮效率、安全及排屑因素設(shè)置為30 mm即可，其余參數(shù)設(shè)置無特殊關(guān)注點(diǎn)，按常規(guī)思路設(shè)置。

3.3 數(shù)控程序后處理

為便于程序代碼段操作者檢查，后處理時(shí)需考慮每行都完整包含X、Y、Z坐標(biāo)。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際加工

本次加工的氣體分布板圓錐面孔群，由前面分析可知鉆頭路徑有同時(shí)X、Y、Z三個(gè)方向的進(jìn)給，根據(jù)圖6優(yōu)化方案，需選取反向間隙小、重復(fù)定位精度高的機(jī)床，故本次孔群加工機(jī)床選擇為FAGOR數(shù)控系統(tǒng)的高速鉆機(jī)，該機(jī)床具有3軸聯(lián)動(dòng)功能，精度高、反向間隙小，且具備兩臺(tái)主軸。由于該件加工直徑近3 m，已達(dá)機(jī)床極限，故一個(gè)主軸只能加工該氣體分布板的一半，為加工另一半需要在加工時(shí)調(diào)用另一個(gè)主軸，由于兩臺(tái)主軸共享X軸(橫梁)，為提高效率選用兩個(gè)主軸同時(shí)加工時(shí)需考慮同步、對(duì)稱問題，即主軸1加工的孔a與主軸2加工的孔b要存在關(guān)于XZ平面的嚴(yán)格對(duì)稱關(guān)系，結(jié)合本次加工的氣體分布板本身存在對(duì)稱關(guān)系這一特性，把主軸1錄入的數(shù)控程序代碼通過鏡像指令處理到主軸2中，即可使兩個(gè)主軸同時(shí)加工，也進(jìn)一步提升了本次加工的效率。

在加工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際切削情況，調(diào)整锪平階段進(jìn)給為正常鉆孔時(shí)的13，設(shè)置為70 mmmin，這樣有利于降低錐面對(duì)鉆尖的沖擊，轉(zhuǎn)速設(shè)為1500 rmin即可。由于锪平深度較淺，該階段可結(jié)合圖紙做最后孔位置的檢查。

圖7 加工效果Figure 7 Machining effect

5 結(jié)束語

針對(duì)行業(yè)內(nèi)圓錐面孔群沒有較系統(tǒng)高效的加工方式這一情況，本文從分析合理工藝路線、選用整體硬質(zhì)合金刀具、液壓刀柄、UG數(shù)控程序編制等方面闡述了一套較系統(tǒng)高效的圓錐面孔系的加工方法，并通過實(shí)踐應(yīng)用順利實(shí)現(xiàn)了某型氣體分布板1萬余組孔系的高效加工，進(jìn)一步驗(yàn)證了該加工方式的可靠性。本文所提供的方法對(duì)類似的非平面分布孔群的加工具有較大的參考價(jià)值。