大型管體零件加工技術研究

李琦

（渤海船舶職業學院機電工程系，遼寧葫蘆島125000）

1 大型管體零件相貫線加工工藝分析

在管體類零件的加工中，兩垂直相交管體的相貫線加工是經常遇到的情況，而且此類零件多采用臥式鏜銑床進行加工。由于相貫線部位是空間曲面，且形狀不規則，因此加工存在一定的難度。如果遇到相交管嘴的形狀不規則或有變形的情況，則相貫線的曲面加工更易出現過切或欠切等問題。在生產實際中對于這類零件主要應采用數控加工的手段，用CAD/CAM 的方法加以實現。本文通過對UG 軟件的固定輪廓銑削功能進行介紹，并結合一個典型零件（如圖1所示）的實際加工情況，證明采用該方法進行管體相貫線曲面加工是行之有效的一種方法。

圖1 典型兩相交管體零件

2 UG 固定輪廓銑削簡介

UG 軟件的固定輪廓銑削是一種刀具沿曲面外形運動的加工類型，主要針對型腔面和復雜曲面零件的半精加工和精加工。加工時機床的X 軸、Y 軸和Z 軸聯動。它允許通過精確控制刀具軸和投影矢量以使刀具沿著非常復雜的曲面的復雜輪廓運動。

固定輪廓銑的刀具路徑是通過將驅動點投影至部件幾何體上來進行創建的。其中驅動點是從曲線、邊界、面或曲面等驅動幾何體生成的，并沿著指定的投影矢量投影到部件幾何體上。然后，刀具定位到部件幾何體以生成刀具路徑。

該銑削方式刀具路徑生成分兩個階段：先在指定的驅動幾何體產生驅動點，然后將這些驅動點沿指定的矢量方向投影到零件幾何表面形成接觸點。具體到實際加工時，首先要定義被加工的幾何體，然后指定合適的驅動方法、投影矢量與刀軸，再設置必要的加工參數，最后生成刀具路徑，并可以對刀具路徑進行模擬加工。驗證無誤后，通過后置處理生成NC 代碼就可以用于實際加工了。

3 編程步驟

3.1 創建操作

在建好零件模型后，進入UG 的“加工”模塊，在創建操作時選擇“mill_contour （型腔銑）”類型，再選擇“FIXED_CONTOUR（固定輪廓銑）”操作子類型，如圖2所示，點擊確定進入參數設置頁面。

圖2 建固定輪廓銑操作

圖3 參數設置頁面

3.2 加工參數設置

如圖3 所示的加工參數頁面，是進行刀具軌跡生成的主要設置頁面，可以進行以下內容的設定：

（1）定義幾何體

本文所列舉的零件毛坯為整體鑄造的成型件，需要加工的位置為小管嘴及與大管相交的相貫線部位。為此，在進行相貫線部位加工時，可在“指定部件”一欄中將所加工的位置選擇為小管嘴錐面以下的部位，包含一段圓柱面與相貫線曲面兩個部分，如圖4 所示的高亮選中的部分。

為避免加工時傷及大管體，還可在“指定檢查”一欄中將大管體的表面拾取為“檢查面”。

（2）指定合適的驅動方法

圖4 定義加工幾何體

UG 固定輪廓銑設置的關鍵在于選擇合理的驅動方法，這也是該操作有別于其他操作的最主要的地方。兩管體相貫的圓弧過渡部分為一回轉體，根據其曲面形狀與復雜性，如本例中的加工場合可以將驅動方法選擇為“曲面”，在相貫區域的外側創建一個圓柱面將該區域整體包裹進去，并將該圓柱面選擇為“驅動幾何體”，如圖5 所示。

圖5 創建驅動面

在實際加工中，經常會出現因毛坯制造精度、管體彎制過程中產生管件變形等情況，造成兩管在相貫區域處的曲面為非對稱形狀，理論模型與實際部件不一致，給加工制造帶來一定難度。特別是X 方向上過渡圓弧與大管相交的兩個腰部，處理不好經常會出現刀具切入主管體的過切情況，造成工件報廢。為解決好該問題，此時可在“切削區域”指定方式中選擇“曲面百分比”方法，進入到如圖6 的頁面。通過前四欄選擇“起點-終點”的占整圓的百分比例，可控制圓周方向上不同的加工區域，如選擇0～50%，可實現上半圓弧的加工，選擇50%～75%則可實現左下部分區域的加工。通過對大量加工實踐的分析與驗證，采用上、下兩個半圓分開加工的方法是行之有效的，可以對與主管相交的兩腰部實現較好的加工效果。利用下兩欄“起始-結束步長”的百分比控制，選擇作為驅動體的圓柱面的投影區域，可實現在軸向上對切削區域的控制。可見，通過利用“曲面百分比方法”，能夠實現對相關曲面上任意加工部位進行選擇，方便在實際加工中不斷進行修正與補加工，彌補因管件變形產生的問題。

圖6 曲面驅動方式參數設置

通過在驅動圓柱面上選擇“切削方向”，可以控制走刀方向為順時針還是逆時針，在“切削模式”中可選擇切削方法為單向走刀、往復走刀或是螺旋線走刀。在實際加工中，采用單向走刀方式較好，可以對所用的鏜銑床進行進給軸反向間隙補償，得到較好的加工精度，但加工效率不及往復式走刀高。此外，通過按數量方式給定“步距”可以調節加工時每個切削層的層高，在切削區域不變的情況下，步距數越多，每層的進刀量越小。一般粗加工可選擇較小的步距數，以提高加工效率，精加工選擇較大的步距數，以實現較高的加工精度。

“投影矢量”可用來定義驅動點投影到部件表面的方式和刀具要接觸的部件表面側，驅動點沿著投影矢量投影到部件表面上。因為驅動面選擇的是圓柱面，故最佳的投影矢量設置方法為“垂直于驅動體”。

（3）設置刀具、加工余量、切削速度等加工工藝參數

在刀具設置對話框可以對所選定的加工刀具進行設置，在“刀軌設置”一欄中可以直接選擇以前設置好的各種加工工藝參數方案，或是通過“切削參數”、“非切削移動”和“進給和速度”對話框進行臨時設置。此種操作和UG 其他的加工策略類似，在此不再贅述。

（4）生成刀具軌跡并進行加工模擬

在設置好各種加工參數后，就可以點擊“生成”按鈕來生成刀具軌跡，并利用UG 的刀軌校驗功能對所生成的刀具軌跡進行回放與模擬，如圖7 所示為利用采用圓形刀片的盤銑刀加工上相貫線的加工軌跡模擬圖。圖8所示為真實加工后的管嘴照片，可見其兩管相交的相貫曲面過渡自然光滑，加工效果較好。

圖7 刀具軌跡模擬

圖8 管嘴真實加工照片

4 結 語

利用UG 軟件的固定輪廓銑功能，可以較好地實現兩相交管體相貫線的數控加工，并且能夠應對管件彎曲變形等不利因素，實現過渡曲面光滑平順的加工結果，在實際應用中收到了良好的效果。

［1］ 楊寧寧.UG 數控加工案例解析［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］ 金霞，楊曉京.基于UG/CAM 模塊固定軸曲面輪廓數控銑的研究［J］.機床與液壓，2007，35（11）：53－55.