CN102962501B

CN102962501B - 厚壁接管相贯线加工工艺

Info

Publication number: CN102962501B
Application number: CN201210429779.XA
Authority: CN
Inventors: 梁洪明; 李静
Original assignee: Sichuan Bluestar Machinery Co Ltd
Current assignee: Sichuan Bluestar Machinery Co Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102962501A

Abstract

本发明公开了一种厚壁接管相贯线加工工艺，所述的工艺包括如下步骤：接管三维造型、接管加工方案、数控机床加工；其中，接管轴线以垂直于机床导轨、平行于主轴的方式固定在数控落地镗铣床水平台面；加工方式采用顺铣的单向走刀路径，先后进行相贯线的粗加工和精加工；粗加工选择玉米铣刀，并且添加辅助曲面，若相贯面对称还能分成几个区域进行镜像加工；精加工选择带R铣刀、玉米铣刀和球头铣刀中任一种铣刀，采用了等高外形法。使用这种方法在数控落地镗铣床上加工厚壁接管相贯线效率较高、操作方便，结果表明相贯线表面粗糙度精度达到不低于Ra25，相贯线外形能够很好的符合设计要求。

Description

厚壁接管相贯线加工工艺

技术领域

本发明涉及一种接管的加工工艺，特别涉及一种厚壁接管相贯线加工工艺。

背景技术

在一些大型管道焊接件中, 常常有很多两个筒体接管以正交或者有一定夹角相交而形成相贯线，相交而成的端面是一个封闭的空间曲面。目前接管相贯线加工的方法如主要包括人工气割、镗床加工、数控相贯线切割机，对于壁厚超过50mm的接管筒体，三种方法加工出来的相贯线都还需要后续处理才能很好的符合设计要求。后续处理一般靠人工打磨，但是效率及其低下，而且打磨出来的外形不能很好的达到与筒体开孔出弧面相吻合的设计要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术采用人工打磨相贯线效率低下的不足，提供一种加工效率高、加工成本低、操作方便的厚壁接管相贯线加工工艺。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种厚壁接管相贯线加工工艺，所述的加工工艺包括以下步骤：

步骤一、接管三维造型，在计算机上利用UG（Unigraphics NX）软件绘制出需要加工的接管三维相贯曲面图；

步骤二、接管加工方案，选择加工方式、设置加工参数、进行轨迹检查、检验是否过切和干涉；若存在过切、干涉，则重新选择加工方式、加工参数，直至不存在过切和干涉；若不存在过切、干涉，利用UG软件生成描述加工过程的刀具路径文件，然后后置处理器读取刀具路径文件并处理生成NC代码（数控代码）；

步骤三、数控机床加工，CNC机床（计算机数字控制机床）采用数控落地镗铣床，将NC代码通过输入装置传输到CNC机床数控装置，数控系统对NC代码进行译码、数据处理、插补，CNC机床按照NC代码的要求，完成接管相贯线的加工；

其中：

接管轴线以垂直于机床导轨、平行于主轴的方式固定在数控落地镗铣床水平台面；采用接管轴线与机床导轨相垂直、与机床主轴相平行的方式比采用接管轴线与机床导轨水平台相平行放置的方式程序编制更简单、加工效率更高；

加工方式采用顺铣的单向走刀路径，从上往下走刀，从远点向近点走刀；因为结合到刀具刚性，这样能让刀具不会出现扎刀的现象，并且采用顺铣的单向走刀路径，比逆铣的方法刀具所受到的阻力更小，加工起来更容易；

加工方式包括粗加工和精加工，粗加工的目的是为了使接管相贯曲面2上多余的毛坯去除（排粗），精加工的目的是为了进一步修整相贯面，从而获得很好的加工表面；

进一步的，粗加工选用玉米铣刀，精加工选用圆弧端面铣刀、玉米铣刀和球头铣刀中任一种铣刀；原因在与要加工的接管毛坯接管相贯线表面粗糙度较大（>Ra50），相贯线又是一个三维曲面，曲面上的每个点的法线向量都不同，所以对刀具刚性、刃口都有要求；若使用普通端面铣刀不能很好的控制刀具的过切与干涉，而且这种加工方法是有刀具向接管内杀刀的过程，所以最好考虑用圆弧端面刀具、玉米铣刀或球头铣刀；加工完的接管相贯线表面粗糙度的满足设计要求（<Ra25），其中球头铣刀加工效果最好，可以获得更为光滑的表面，加工后的接管精度可以达到表面粗糙度Ra3.2。

优选地，所述的加工方式中的粗加工参数的值分别设置为：

采用玉米铣刀，刀具直径80mm，走刀量约600mm/min，进给量约14mm，刀具转速<400r/min。

优选地，所述的加工方式中的精加工参数的值分别设置为：

采用圆弧端面铣刀，刀具直径160mm，走刀量约850mm/min，进给量约14mm，刀具转速400-500r/min。

考虑到接管的直径和厚度，如果选择使用球头铣刀，则需要Φ50mm以上的球头铣刀，考虑成本和精度，需要经过试验最后选择直径160mm圆弧端面铣刀，同样能达到设计要求。

优选地，所述的粗加工过程中添加辅助曲面参与加工。这样在用大直径刀具进行表面粗加工时，将刀具不能进人的加工区域剔除在外，减少加工曲面的计算量，获得较短的刀具路径，缩短刀具的空运动行程，提高加工效率。

优选地，所述的粗加工过程中，当两个筒体轴线相距e为O时，把相贯曲面划分为几个区域单独加工，即利用CNC机床数控系统的镜像功能，只需生成相贯曲面对称的其中一侧区域自由曲面的NC代码，就可以镜像生成相贯曲面对称另一侧区域自由曲面的NC代码，从而完成整个相贯线的加工。

优选地，所述的精加工过程中采用等高外形加工。

考虑到气化炉接管相贯线外形，在UG软件精加工造型过程中采用等高外形的加工方案，等高外形加工方法有助于在动态模拟刀具精加工过程中检测刀具和相贯线匹配，起到相互修正的作用，这样可以提高编程速度及减少接管加工时间并且能提高接管的加工质量。

优选地，所述的精加工过程可以根据精度要求采用两次及以上的精加工。多次的精加工可以获得更光滑的表面，满足不同设计精度的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明以UG为平台,利用其内嵌的UG加工基础模块,针对数控落地镗铣床加工相贯线研究了一套能够计算并自动获得相贯线数控加工代码的方法，通过刀具路径等工艺参数和后置处理, 最后生成NC代码, 供数控机床加工接管相贯线。使用这种方法加工厚壁接管相贯线效率高、操作方便，结果表明相贯线表面粗糙度达到Ra12.5以下，相贯线外形能够很好的符合设计要求。

附图说明：

图1为本发明加工工艺流程图。

图2a为本发明实施例两个不同直径的圆柱面以一定角度相交正视图。

图2b为图2a的左视图。

图3为本发明实施例接管相贯曲面图。

图4a为本发明所述两个不同直径的圆柱面以一定角度相交正视图，且两个筒体轴线距离e=0。

图4b为图4a的左视图。

图5为图4中所述两个不同直径的圆柱面所相交的相贯面图。

图中标记：1、接管，2、母体圆筒，3、三维相贯曲面一，4、三维相贯曲面二。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、2a、2b、3，一种厚壁接管相贯线加工工艺，其中接管1与母体圆筒2以角度α斜交，并且两个圆柱体轴线有一定距离e，两该工艺包括以下步骤：

一、接管三维造型：

利用UG（Unigraphics NX）软件绘制好接管1与母体圆筒2相贯的三维图，然后把多余的部分裁剪掉，即得到所需的相贯曲面图（实体）3。

二、接管加工方案：

1) 加工原理

两个相同或不同直径的圆柱面以一定角度α相交，相交所形成相贯线为封闭的空间曲面，如附图1，在笛卡尔坐标系X′Y′Z′ 中建立数学模型, 接管中心为X′Y′的编程零点，O′零点为接管相贯线轴向方向最近到最远点的距离的一半作为零点，Z′方向沿接管轴线方向，X′垂直于Z′轴并指向接管1同侧，Y′轴由右手螺旋法则确定；坐标系XYZ的圆心O在主视图的投影与O′在主视图的投影是重合的，点O与点O′相距为e，（当e＝0时为轴线正交，当e＞0时，轴线偏心）X轴指向圆筒轴向方向，Z轴垂直于圆筒轴线，Y轴由右手螺旋法则确定并且与Y′指向同一方向。

加工过程中刀具在X′Y′平面内作以r（r为接管半径）为半径的投影匀速圆周运动, 为了方便编程, 可以设定X′Y′平面内的运动为主运动；用控制θ角度的变化来控制刀具的切削运动, 当刀尖从θ₁点走到θ₂点的时候, 转过θ₂-θ₁角度, 在程序中通过数控机床变量控制导入上述数学表达式来控制刀具路径中任一点P_n (x,y,z)的精度。

通过推导，接管相贯线3的方程为：

（1）

2) 装夹准备

本实施例的两个圆柱面相交，（如图2a、2b、图3）接管直径为1760mm，厚度180mm，母体圆筒2直径为3310mm，厚度180mm；接管1与母体圆筒2轴线相距e=30mm，接管1与母体圆筒2轴线夹角为α=45°。采用数控落地镗铣床加工相贯线，由于是斜交的两个圆筒，接管相贯线为三维曲面3，采用接管1轴线（Z′方向）与机床导轨水平台面（X′Y′平面）相垂直的方式，用转台、压板定位与装夹接管在机床上，接管1筒体母线与机床镗轴方向一致并固定于工作台上，然后利用寻边器找出接管X,Y方向中心点在机床坐标系中的值，作为接管坐标系原点。

需要说明的是，实验证明采用接管1轴线与机床导轨水平台相垂直的方式比采用接管1轴线与机床导轨水平台相平行放置的方式程序编制更简单、加工效率更高。

3) 加工方式

考虑接管1管壁比较厚，要满足相贯线表面粗糙度的设计要求（<Ra25），故采用先粗加工后精加工。粗加工的目的是为了使接管相贯曲面3上多余的毛坯去除（排粗），精加工的目的是为了进一步修整相贯面3，从而获得很好的加工表面。结合到刀具刚性，不让刀具有扎刀的现象，刀具走刀路径设定为单向走刀，从上往下走刀，从远点向近点走刀；实验证明采用顺铣的单向走刀路径，比逆铣的方法刀具所受到的阻力更小，加工起来更容易。进一步的：

a．粗加工，由于要加工的接管毛坯接管相贯线3表面粗糙度较大（>Ra50），相贯线又是一个三维曲面，曲面上的每个点的法线向量都不同，所以对刀具刚性、刃口都有要求。若使用普通端面铣刀不能很好的控制刀具的过切与干涉，而且这种加工方法是有刀具向接管内杀刀的过程，所以最好考虑用球头铣刀或玉米铣刀。考虑到设计要求和刀具成本，本实施例粗加工经过试验最后选择直径为80mm的玉米铣刀，走刀量约600mm/min，进给量约14mm，刀具转速小于400r/min。

另外，粗加工过程中可以添加辅助曲面参与加工，这样在用大直径刀具进行表面粗加工时，将刀具不能进人的加工区域剔除在外，减少加工曲面的计算量，获得较短的刀具路径，缩短刀具的空运动行程，提高加工效率。

b．精加工，由于精加工目的为了减小接管相贯曲面3表面粗糙度（<Ra25），获得更为光滑的表面，最好使用圆弧端面、玉米铣刀和球头铣刀中任一种铣刀，可以减小表面粗糙度，获得更为光滑的表面，尤其使用球头铣刀，其加工后的接管精度可以达到表面粗糙度Ra1.6。考虑到接管1直径和厚度，如果要使用球头铣刀，则需要Φ50mm以上的球头铣刀，考虑成本和精度，经过试验最后选择直径为160mm的圆弧端面铣刀，走刀量约850mm/min，进给量约14mm，刀具转速400-500r/min，最后得到接管相贯曲面3的表面粗糙度为约Ra12.5。

考虑到气化炉接管相贯线3外形，在UG软件精加工造型过程中采用等高外形的加工方案，等高外形加工方法有助于在动态模拟刀具精加工过程中检测刀具和相贯线匹配，起到相互修正的作用，这样可以提高编程速度及减少接管加工时间并且能提高接管的加工质量。

4) 加工参数

采用图形人机对话的方式，设定加工方式、刀具半径、走刀量、进给量、刀具转速等各数值，其值分别为：

粗加工：玉米铣刀，刀具直径80mm，走刀量约600mm/min，进给量约14mm，刀具转速<400r/min；

精加工：圆弧端面铣刀，刀具直径160 mm，走刀量约850mm/min，进给量约14mm，刀具转速400-500r/min。

5) 轨迹检查

寻找刀具轨迹是否过切和干涉，若存在过切或干涉，则回到步骤二（3）中再重新调整加工参数，在刀具轨迹上重新模拟，再进行干涉检查，直到不发生干涉为止。

6) NC代码

利用CAM（计算机辅助制造）软件，根据加工对象的结构特征、具体加工参数等生成描述加工过程的刀具路径文件；然后通过后置处理器读取由CAM系统生成的刀具路径文件，从中提取相关的加工信息，并根据指定数控机床的特点及NC程序格式要求进行分析、判断和处理，最终生成数控机床所能直接识别的NC程序。

三、数控机床加工：

用输入装置如U盘、磁盘驱动器等把NC代码传输到CNC机床（计算机数字控制机床）数控装置，数控系统对NC代码进行译码、数据处理、插补，CNC机床按照NC代码的要求，最终一步一步完成接管相贯线3的加工。

实施例2

如图1、4a、4b、5，一种厚壁接管相贯线加工工艺，其中接管1与母体圆筒2以角度α=45°斜交，并且两个筒体轴线距离e=0，该工艺包括的步骤与实施例1相同。另外，由于两个筒体轴线距离为0，则两个筒体的三位坐标系同为一个原点O（或O′），两个筒体相交成的三维相贯曲面二4相对于Y′Z′平面是对称的，故在粗加工过程中，可以采用镜像加工的方式，把三维相贯曲面二4划分为几个区域单独加工，具体如下：

如图5所示，把三维相贯曲面二4划分为左上（第一卦限）、左下（第四卦限）、右上（第二卦限）、右下（第三卦限）四个区域，每个区域就成为了一个自由曲面；因此可利用CNC机床数控系统的镜像功能，镜像相贯曲面4的左上（右上）、左下（右下）区域自由曲面的NC代码，就可以镜像生成右上（左上）、右下（左下）区域自由曲面的NC代码，从而完成整三维相贯曲面4的加工，这样很大在程度上减少了编程量。

需要说明的是，精加工过程中理论上不需采用CNC机床数控系统的镜像功能，而是采用刀具直接走完全程的方法。因为如果采用镜像功能，镜像的几个自由曲面的过渡区域在精加工完毕后会出现凸痕的“盲区”，会影响到整个相贯曲面4的表面粗糙度；而刀具直接走完全程，相贯曲面4会获得更为连贯、光滑的表面。但在实际操作过程中，为了节约时间，改变刀具受力状况，采用与粗加工一样的划分四个区域的镜像加工，在每个区域加工之前，人为的调节刀具坐标，覆盖“盲区”，这样也能达到消除凸痕的作用。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细的描述，但是本发明并不局限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内还可以做出各种变化。例如，本发明刀具精加工过程中根据相贯曲面的特征采用浅平面加工。

Claims

1.一种厚壁接管相贯线加工工艺，包括以下步骤：

步骤一、接管三维造型，在计算机上利用UG软件绘制出需要加工的接管三维相贯曲面图；

步骤二、接管加工方案，选择加工方式、设置加工参数、进行轨迹检查、检验过切和干涉、生成NC代码；

步骤三、数控机床加工，CNC机床采用数控落地镗铣床，CNC机床处理NC代码，完成接管相贯线的加工；

其特征在于，所述步骤三中：

接管轴线以垂直于机床导轨、平行于主轴的方式固定在数控落地镗铣床水平台面；

加工方式采用顺铣的单向走刀路径，从上往下走刀，从远点向近点走刀；

加工方式包括粗加工和精加工，粗加工选用玉米铣刀，精加工选用圆弧端面铣刀、玉米铣刀和球头铣刀中任一种铣刀。

2.根据权利要求1所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的加工方式中的粗加工参数的值分别设置为：

采用玉米铣刀，刀具直径80mm，走刀量为600mm/min，进给量为14mm，刀具转速小于400r/min。

3.根据权利要求1或2所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的加工方式中的精加工参数的值分别设置为：

采用圆弧端面铣刀，刀具直径160mm，走刀量为850mm/min，进给量为14mm，刀具转速为400-500r/min。

4.根据权利要求1所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的粗加工过程中添加辅助曲面参与加工。

5.根据权利要求1所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的粗加工过程中，当两筒体轴线距离为0时，接管相贯曲面是对称的，把相贯曲面划分为几个区域单独加工，先生成相贯曲面对称的其中一侧区域自由曲面的NC代码，再利用CNC机床数控系统的镜像功能，镜像生成相贯曲面对称另一侧区域自由曲面的NC代码，从而完成整个相贯线的加工。

6.根据权利要求3所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的精加工过程中采用等高外形加工。

7.根据权利要求3所述的一种厚壁接管相贯线加工工艺，其特征在于，所述的精加工过程根据精度要求采用两次及以上的精加工。