彎管五軸銑削加工策略應(yīng)用
2021-10-20 來(lái)源：中航光電科技股份有限公司 作者：趙利
彎管是一種特殊的零件，彎管加工分粗加工與精加工，一般精加工常常采用棒糖式刀具，目前市場(chǎng)上主流的編程軟件很少有彎管編程這個(gè)模塊，一般都要靠編程人員的加工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行拆分加工，效率低且容易出錯(cuò)。我公司采用的編程軟件Cimatron E 13.0版本中新增加五軸彎管編程模塊，可快速編制彎管加工程序，使用方便，效率極高，現(xiàn)結(jié)合我公司幾種不銹鋼彎管加工實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹一下該編程模塊。
1.零件分析
我公司長(zhǎng)加工的彎管結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，材質(zhì)為不銹鋼，毛坯采用棒料加工。工件角度分為90°與135°兩種，外形兩端直線部分尺寸要求必保，內(nèi)腔過(guò)線要求圓滑過(guò)渡，不允許出現(xiàn)尖邊，高點(diǎn)，彎管外形及直線部分采用五軸銑加工完全能夠保證， 關(guān)鍵是內(nèi)腔如何做到光滑過(guò)渡，沒(méi)有接刀痕。
圖 1 彎管結(jié)構(gòu)圖
2.原來(lái)的加工方法
最初的加工方法是：外形兩端直線部分五軸定位加工，中間曲面球頭刀加工，分兩次從孔口處開(kāi)始加工所有內(nèi)腔，將內(nèi)腔曲面分割成幾段曲面，能采用三軸加工的盡可能采用三軸銑曲面加工，相交處R采用五軸航空銑，棒糖銑刀加工。加工完外形、內(nèi)腔以后片掉工件，下道工序以端面定位，調(diào)頭裝夾直線部分，銑外形剩余曲面，見(jiàn)圖2所示。
圖 2原來(lái)的加工方法
原方法存在的問(wèn)題：
（1）編程困難，程序驗(yàn)證麻煩。將內(nèi)腔曲面分割成幾段，里面有三軸銑，也有五軸銑，加工質(zhì)量及效率要靠編程人員技能保證。程序驗(yàn)證時(shí)采用VERICUT軟件仿真，但只能檢測(cè)嚴(yán)重的碰撞與過(guò)切，加工后產(chǎn)生的接刀痕及尖邊等細(xì)節(jié)部位無(wú)法檢查，并且因機(jī)床誤差及裝夾誤差的存在，多軸銑削后的接刀問(wèn)題是仿真軟件無(wú)法解決的，只能靠編程人員的經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)修改、補(bǔ)償 ，以最終加工出的產(chǎn)品實(shí)物為依據(jù)。
（2）加工出的內(nèi)腔不光滑，多次接刀避免不了尖邊。多次設(shè)想采用棒糖刀一次加工出所有內(nèi)腔曲面，因沒(méi)有合適的加工測(cè)量，產(chǎn)生的加工軌跡不合適而作罷。工件加工完成后添加鉗工拋光工序，由鉗工對(duì)內(nèi)腔相關(guān)處R角進(jìn)行打磨，消除接刀。因工件材質(zhì)為不銹鋼，鉗工加工費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)常出現(xiàn)尖邊打磨不到位，割傷導(dǎo)線等問(wèn)題。
這種加工方法不僅效率低，而且要靠人工來(lái)保證工件關(guān)鍵尺寸，受工人個(gè)體差異及情緒影響，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。
3.新加工方法的研究
通過(guò)分析，原來(lái)采用的加工方案并無(wú)多大問(wèn)題，問(wèn)題主要出現(xiàn)在編程上，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是加工內(nèi)腔時(shí)沒(méi)有一種加工策略可以采用棒糖刀一次精加工所有內(nèi)腔曲面。
去年，我公司編程軟件進(jìn)行升級(jí)，由Cimatron E 10版本升級(jí)為E 13.0版本，在五軸加工模塊中增加了彎管銑削策略，見(jiàn)圖3所示。
圖 3 彎管銑削策略
我們希望通過(guò)該策略可以實(shí)現(xiàn)彎管內(nèi)腔一次銑削到位，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔沒(méi)有接刀的問(wèn)題。首先我們先了解該策略中的四種銑削模式，兩種粗加工模式，兩種精加工模式，圖4是各種模式加工刀具軌跡。通過(guò)軌跡對(duì)比，我們首先排除使用粗加工模式，因棒糖刀加工能力有限，不適合不銹鋼件的開(kāi)粗，最多采用二次開(kāi)粗對(duì)相貫處R去小部分余量。兩種精加工模式，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，采用精加工繞的模式更適合彎管內(nèi)腔加工，加工策略定下后，我們測(cè)試了產(chǎn)品整個(gè)精加工軌跡是否滿足要求。
圖 4 彎管銑削加工模式
通過(guò)對(duì)彎管銑削模式的進(jìn)一步探索，我們彎管精加工編程非常簡(jiǎn)單、方便，只需要點(diǎn)選好加工部位，干涉檢查設(shè)置恰當(dāng)，設(shè)置好切削參數(shù)就行。并且該加工模塊還有兩個(gè)我個(gè)人認(rèn)為非常有用的設(shè)置單元，一個(gè)是加工區(qū)域設(shè)置，一個(gè)是加工角度限制。
圖 5 加工區(qū)域設(shè)置及加工角度限制
簡(jiǎn)單介紹一下，為什么我覺(jué)得這兩個(gè)參數(shù)重要。首先，加工區(qū)域設(shè)置，第一行選項(xiàng)：“輸出類型”。里面有三種設(shè)置，頂部，底部，兩者，選頂部，刀具軌跡的輸出是從頂部開(kāi)始，直至干涉檢查起效果后不再向下加工，一般情況下，彎管的內(nèi)腔精加工從頂部輸出后能加工絕大部分內(nèi)容，只剩下一小部分加工不到位，需要再設(shè)置一個(gè)從底部的加工策略，根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，一般不建議選“兩者”，這樣軟件會(huì)自動(dòng)幫你選擇頂?shù)椎妮敵鲰樞颍?因是五軸加工，要考慮機(jī)床安全性，設(shè)置為“兩者”，不僅要考慮編程時(shí)的安全高度，還要看后置文件的安全設(shè)置處理是否合理，假如與一個(gè)安全設(shè)置不合理就會(huì)出現(xiàn)撞機(jī)事故，不如重新設(shè)置一個(gè)底部加工策略，讓刀具回到安全點(diǎn)后再加工，從編程合理性考慮更優(yōu)化一些。
加工角度限制設(shè)置，五軸編程大家都了解，編程時(shí)要盡可能控制機(jī)床的擺動(dòng)幅度及頻次，不僅更安全，而且加工出來(lái)的工件質(zhì)量更好，更穩(wěn)定。例如，加工90°的彎管，從頂部輸出不用設(shè)置角度限制，只要設(shè)置好干涉檢查就行。但從底部輸出時(shí)，我們一般將Z軸角度設(shè)置為100°以內(nèi)，假如底部輸出的角度限制可以滿足加工完所有曲面，那么我建議將Z軸角度限制盡可能改小，這樣機(jī)床擺動(dòng)幅度較小，更有利于干涉檢查機(jī)加工效率。
其它設(shè)置包括“干涉檢查”與“連接”，按正常加工經(jīng)驗(yàn)設(shè)置就好，沒(méi)有什么需要特別強(qiáng)調(diào)的。
解決完彎管的精加工程序后，再簡(jiǎn)單介紹一下我們粗加工彎管內(nèi)腔的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。剛才已經(jīng)跟大家介紹了，不建議直接采用彎管粗加工策略，我們的加工方案是，先加工完外形，再選用合適的鉆頭分別從頂?shù)足@孔去余量，才分別從兩端體積銑去余量，這樣只剩下相貫處R還有部分余量，這時(shí)還不能直接用棒糖刀精加工，余量還是有點(diǎn)大，這樣不但加工效率低，還容易斷刀，再使用切削能力較好的球頭刀進(jìn)行半精加工，主要是去除相貫處R處余量，這樣，內(nèi)腔曲面余量就均勻一致了，再使用棒糖刀進(jìn)行精加工就可以完美解決彎管的加工問(wèn)題了。圖6是開(kāi)粗示意圖，圖7是加工后的產(chǎn)品效果圖。
圖 6 臺(tái)階鉆孔去余量，采用球頭刀去除相貫處R余量
圖 7 加工過(guò)程及加工后效果圖
6.結(jié)語(yǔ)
Cimatron編程軟件新增加的這個(gè)彎管銑削模塊，對(duì)彎管類零件內(nèi)腔的精加工是非常有效的，刀具軌跡簡(jiǎn)潔，安全檢查方便，參數(shù)設(shè)置豐富實(shí)用，結(jié)合合理的粗加工策略，順利完成了我公司各類彎管零件的加工，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，而且提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本，為今后類似結(jié)構(gòu)零件的加工提供了新思路。
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