管座“馬鞍形”曲面數控加工工藝與程序優化

東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 （四川自貢 643001）姚 希 林智輝 巫 山 郭光強 王冬平

我公司各類產品中常見如圖1所示的管座，需加工的部分為“馬鞍形”焊接坡口曲面（圖1中橙色部分）。為保證裝配焊接質量，該坡口曲面的加工尺寸精度要求較高。隨著新產品制造過程中，大直徑、厚壁及難加工材料的“馬鞍形”管座的出現，普通的靠模仿形車削加工方式愈發不能滿足制造要求。因此，我公司改在立式加工中心和數控龍門鏜銑床上加工此類管座坡口曲面，使用NX CAM軟件編制數控加工程序。

NX CAM加工基本設置

建立好零件（本例中管座尺寸為φ426mm×32mm）及其毛坯模型后，進入“加工”模塊進行各項設置。

圖1 管座“馬鞍形”曲面

（1）工件坐標系的設置 首先考慮方便對刀，其次考慮X、Y軸行程。本例中工件坐標系設置在零件毛坯頂面的中心，如圖2所示。

（2）部件及毛坯的選擇 部件即為管座零件模型。創建毛坯時，因內外圓不需加工，毛坯與零件的內外圓尺寸一致；毛坯頂面與零件馬鞍頂點高度對齊。如圖2所示，實體部分為部件，半透明部分為毛坯。

（3）刀具創建 粗加工時使用圓刀片銑刀，曲面精加工時使用球頭銑刀。

NX CAM編制加工程序

（1）粗加工采用型腔銑如圖3所示，操作中沒有設置檢查體，指定切削區域為“馬鞍形”曲面，切削模式為“跟隨部件”，步距按刀具直徑的80% ，并設置切深、主軸轉速和進給率等切削參數。

最終生成的粗加工刀路（見圖4）較為混亂，加工時間長達67min。觀察其第一層的刀路 (見圖5)，可見在同一加工層上，進、退刀較為頻繁，造成空行程過多，加工效率較低。圖4、圖5中黃色為進刀，藍色為切削，白色為退刀，紅色為快速移動。加工現場如圖6所示。

圖2 部件與毛坯模型

圖3 型腔銑設置

圖4 粗加工刀路

圖5 粗加工第一層刀路

（2）精加工采用固定輪廓銑 如圖7所示，指定切削區域為“馬鞍形”曲面，驅動方法選擇“流線”。設置相應切削參數后，最終生成精加工刀路，如圖8所示。該刀路連續、規則，切削效率高。精加工所用時間為26min。加工現場如圖9所示。

NX CAM加工程序優化

粗加工型腔銑程序中，在管座內部增加一個檢查體（圖10中紅色部分），可避免在管座內腔產生進、退刀，且可以避免刀路進入該范圍內，從而有效地減少了空行程。

設置檢查體后，不改變切削參數，生成的刀路如圖10所示，加工時間縮短為40min。觀察其第一層的刀路（見圖12），可見在同一加工層上，刀路是連續的，只有一次進、退刀。

圖13、圖14所示為管座加工現場和加工完的情況。

管座“馬鞍形”曲面數控加工工藝

圖6 粗加工

針對我公司實際情況，為提高管座“馬鞍形”曲面數控加工工藝手段的可操作性，我們對NX CAM軟件進行了二次開發和定制：

（1）建模模板的定制 只需在定制界面中輸入相關參數，即可生成CAM編程所需的部件和毛坯模型。

（2）加工模板的定制 對管座分類進行加工模板的定制，編程時只需選擇對應的模板即可自動生成刀具、切削參數和加工刀路等，經較少的修改即可完成所需程序的編制。

（3）刀具庫的定制開發 將加工管座所用各型號刀具的三維模型、其適合加工的材質及對應切削參數等關鍵信息在CAM刀具庫中進行了定制，方便編程時快速選擇刀具，并進行有效的加工仿真。

（4）機床仿真與工裝夾具庫的定制 對所用的機床進行了仿真定制，并建立了工裝夾具的三維實體庫，可進行有效的加工檢驗。

（5）后處理器的定制 對所用的各類機床分別開發了專用的后處理器，生成的G代碼程序安全可靠。

直徑和馬鞍落差量較小的管座，采用自定心卡盤進行裝夾。針對大直徑、馬鞍落差量大的管座，進行了專用工裝夾具的開發（見圖15），擴大了管座加工的尺寸范圍，并提高了工件的裝夾效率，避免了在加工“馬鞍形”曲面底部時機床主軸與夾具發生干涉。

圖7 固定輪廓銑設置

圖8 精加工刀路軌跡

圖9 精加工

圖10 粗加工程序中添加內部檢查體

圖11 優化后的粗加工刀路

圖12 優化后的粗加工第一層刀路

圖13 正在加工中的管座

圖14 加工成型的管座

由此，我們開發出了一套管座“馬鞍形”曲面數控加工的工藝方案。通過數控加工手段的引入，管座在下料時長度方向不用考慮工藝余量，可直接按照設計尺寸定長下料。臥式車床上完成內徑和倒角加工后，在數控機加設備上通過“馬鞍形”曲面的粗、精加工，即可完成整個管座的加工，縮短了工藝流程，且大大提高了加工質量，并解決了大直徑、厚壁及難加工材料管座的加工難題。

圖15 大尺寸管座夾具示意圖

結語

該管座“馬鞍形”曲面的數控加工工藝，已經廣泛應用于公司生產中。根據對實際加工情況的統計，經過程序優化后，其平均單件加工時間能夠縮短約40%，大大提升了加工效率，同時降低機床能耗約40%。管座尺寸越大、“馬鞍形”曲面落差量越大，其加工效率提升越明顯。