鈦合金環(huán)形氣瓶接嘴五軸聯(lián)動數(shù)控加工

武曉平 張勇

摘 要：本文重點(diǎn)講述了五軸聯(lián)動在加工特定復(fù)雜曲面時采取的編程技巧和解決辦法。部分復(fù)雜零件在加工時有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，后置處理軟件無法針對某些零件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和加工狀況做出正確的模擬和輸出程序，這就需要對零件、機(jī)床及CAM軟件具體問題做具體分析，進(jìn)行程序的后置處理。

關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動 后置處理 計(jì)算機(jī)輔助制造

1、引言

傳統(tǒng)的數(shù)控加工過程中，普通零件一般通過手工編程或機(jī)床自帶的編程模塊即可在三軸或者普通的車銑復(fù)合中心等即可實(shí)現(xiàn)。然而對于一些具有復(fù)雜曲面和復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，需針對復(fù)雜型腔和異形幾何外形進(jìn)行修正。

圖l為壓力容器事業(yè)部研制某型號鈦合金環(huán)形氣瓶的接嘴零件，接嘴零件的內(nèi)（外）弧面為兩個復(fù)雜空間曲面，由于這兩個復(fù)雜曲面無法通過簡單的車削或銑削來加工，接嘴的內(nèi)（外）弧面由兩個不同半徑所回轉(zhuǎn)的曲面復(fù)合而成。接嘴的內(nèi)（外）弧面需要與環(huán)形氣瓶進(jìn)行密裝配后進(jìn)行焊接，承受30MPa的高壓。

2、難點(diǎn)分析

根據(jù)研制的某型號技術(shù)要求：接嘴的內(nèi)（外）形面必須與環(huán)形殼體的型面貼合良好;裝配后的局部最大間隙不得大于0.05mm;接嘴內(nèi)（外）型面與環(huán)形殼體的壁厚凈和形狀尺寸不得大于0.1mm;從而來保證后續(xù)焊接質(zhì)量，并使焊接后整個氣瓶表面整潔、美觀。

接嘴曲面與環(huán)形殼體配合部位的壁厚尺寸要求保證在2.2±0.05 mm，配合面的表面粗糙度要求Ra1.6μm。由于輪廓度測量難度大，需在接嘴零件加工完成后，與環(huán)形殼體進(jìn)行試裝配后才能進(jìn)行檢測。

3、接嘴零件加工方案的確定

根據(jù)先前技術(shù)要求，接嘴零件的具體加工方案為：

1）接嘴零件的毛坯采用鈦合金TC4棒材，按工藝要求進(jìn)行下料后

2）進(jìn)行清洗，然后進(jìn)行“650℃+2h”的真空退火處理，消除材料應(yīng)力。

3）在普通車床上對接嘴的螺紋和曲面的余量進(jìn)行加工。

4）利用五軸加工中心利用3+2的銑削方法進(jìn)行六方的銑削加工

5）最后用專用工裝夾緊工件，采用五軸數(shù)控對接嘴曲面進(jìn)行加工。

接嘴零件的加工工藝流程具體見圖2。

根據(jù)接嘴零件的曲面結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用硬質(zhì)合金球頭刀具銑削曲面。經(jīng)計(jì)算，銑削的步距定為0.2mm。本次銑削加工過程采用的三爪卡盤的中心定位精度達(dá)到技術(shù)要求，能夠在保證加工精度的條件下完成銑削加工過程。在接嘴零件外表面時，用三爪卡盤固定工裝外圓。三軸或五軸聯(lián)動加工曲面時，如用三軸聯(lián)動加工外表面，由于管嘴螺紋已經(jīng)加工好，在切削過程中容易碰傷管嘴螺紋表面，不利于加工。故而，本文針對該情況進(jìn)行了改進(jìn)，特別采用制作專用工裝進(jìn)行五軸聯(lián)動加工。采用五軸聯(lián)動加工，使球頭刀的軸線處處和零件表面成100°夾角，避免了切削刮傷管嘴表面，五軸聯(lián)動加工中刀具可延伸到螺紋和外表面之間的直角部位，并對R5的過渡圓角進(jìn)行加工，保證曲面和螺紋根部之間圓滑過渡，確保加工后的零件光潔、表面粗糙度滿足工藝要求。

4、五軸聯(lián)動后處理方案的制定

4.1接嘴外曲面的五軸聯(lián)動后處理方案及注意事項(xiàng)

壓力容器事業(yè)部現(xiàn)有的米克朗UCP800型五軸加工中心的的五根軸為X，Y，Z，A，C。由于接嘴零件的外形尺寸相對較小，X，Y，Z，C軸的機(jī)床行程都能夠滿足加工的要求，但A軸的擺動范圍為0°～90°，在機(jī)床的后處理器選配文件生成器的機(jī)床類型中選擇5一Axis Rotary Table/Rotarv Axis，Rotarv Head頁面選擇Rotary about Y-axis， nutator angle為100。根據(jù)機(jī)床控制系統(tǒng)NC代碼格式，在Fil文件編輯器中編寫機(jī)床文件處理程序。

采用五軸聯(lián)動對接嘴的外曲面進(jìn)行加工時，UG NX10.0的CAM軟件對整個外表面后置處理中會忽略管嘴的存在，在零界線處生成錯誤的NC代碼，在刀具加工至臨界線處時，機(jī)床執(zhí)行NC代碼時會產(chǎn)生不確定的刀具運(yùn)動，從而銑壞管嘴。

在先前加工中，先采用鋁合金作為試驗(yàn)件進(jìn)行加工。首先對整個外表面進(jìn)行整體后置處理，在選擇外表面進(jìn)行處理時，系統(tǒng)通過后處理器生成的NC代碼輸入機(jī)床進(jìn)行模擬并加工，在刀具加工至零界線處，降低進(jìn)給倍率進(jìn)行加工，仔細(xì)觀察刀具的運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)機(jī)床在執(zhí)行代碼時，忽略了管嘴的存在，刀具路徑對管嘴螺紋造成了銑削干涉。

為了減少分析過程中的非必要模擬，本文將沿外表面最高處的圓弧線分割成左右兩半，并僅針對該對稱結(jié)構(gòu)中的右半部分進(jìn)行模擬。

左右刀位數(shù)據(jù)文件各自獨(dú)利用機(jī)床后置處理器進(jìn)行后置處理，分別生成兩個獨(dú)立的NC數(shù)控加工程序，將兩個獨(dú)立的數(shù)控加上程序合并，從而得到所需的五軸聯(lián)動數(shù)控加工程序，此時刀具不會在零界線處出現(xiàn)異常運(yùn)動干涉管嘴。

4.2 內(nèi)曲的五軸聯(lián)動加工

接嘴內(nèi)曲面雖然不環(huán)形殼體直接接觸，但由于氣瓶本承受高壓，其輪廓度的光潔度和尺寸精度直接影響到氣瓶受力。內(nèi)曲面由于沒有管嘴的存在，既可采用五軸聯(lián)動加工，也可采用三軸聯(lián)動加工。三軸聯(lián)動相對五軸聯(lián)動編程簡單，故采用三軸模式加工內(nèi)曲面，在三軸銑削模式加工前，先用線切割切除大部分余量，粗加工后再進(jìn)行精加工，防止在銑削加工時產(chǎn)生較大的切削力，引起零件變形。將管嘴螺紋旋進(jìn)定制的工裝主體，用三爪卡盤夾緊工裝主體，在分別放入內(nèi)撐管、錐形內(nèi)六方螺釘，旋緊后進(jìn)行加工，這樣管嘴螺紋和貼合面既得到較高的位置精度又使工件一次裝夾完成六方及內(nèi)外曲面的加工。

無論是五軸聯(lián)動加工還是三軸聯(lián)動加工，在后置處理過程中都要對加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到NC程序后，可參考所加工機(jī)床的說明書，用機(jī)床控制系統(tǒng)的固有G代碼功能，對刀具運(yùn)動速度等進(jìn)行優(yōu)化，以避免刀具在局部進(jìn)給速度過快。

5、加工結(jié)果

加工后經(jīng)測量，接嘴零件壁厚均在2.20～2.25mm之間，配合面的表面粗糙度均在Ra1.6μm以內(nèi)，接嘴零件的加工質(zhì)量完全滿足樣要求。環(huán)形氣瓶焊接完成后，進(jìn)行了壓力驗(yàn)證和抽爆試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。證明接嘴加工質(zhì)量完好，表面光潔度等完全滿足設(shè)計(jì)要求。

6、結(jié)束語

五軸加工中心都有一定的結(jié)構(gòu)，機(jī)床的控制系統(tǒng)都有自己的控制特性，后置處理軟件不可能把零件考慮得十分詳盡，程序后處理軟件在有些情況下也考慮不到某些零件的特殊結(jié)構(gòu)和加工時的狀況，對零件、機(jī)床及CAM軟件的具體問題要做具體分析，合理安排工藝過程，根據(jù)零件的特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)控程序的后置處理。

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