任务导入

复习回顾石油钻头的加工工艺及UG 编程过程。

知识链接

石油钻头的工艺的简单回顾如下:

1) 使用“d30r5” 刀具对钻头毛坯进行粗加工, 加工方法可以使用“mill_contour”,“刀具子类型” 选择“MILL”, 使用型腔铣;

2) 使用“d16r0.8” 刀具对钻头整体进行半精加工, 加工方法还可以用“mill_contour”, “刀具子类型” 选择“MILL”;

3) 在“B12” 刀具下插入一个新工序, 加工方法采用“drill”, “工序子类型” 选择“啄钻”, 可以采用“标准钻, 深孔…” 模式加工孔系, 首先对毛坯切削刃上半部分进行粗加工, 接着对过程毛坯中切削刃之间的剩余毛坯再次粗加工, 然后对整个钻头的余量特别是切削刃的根部余量进行半精加工及对完整的钻头外表面区域进行精加工, 最后加工方法可以再次考虑采用“drill”, “工序子类型” 选择“啄钻”, 采用“标准钻, 深孔…” 模式加工钻头表面及切削刃上分布的孔系。

1. 石油钻头的编程过程

(1) 石油钻头的结构形状及装夹方法

根据石油钻头模型, 可以将其归类为轴类零件。 此类零件一般选用常规夹具, 这里我们将三爪卡盘作为夹具。

(2) 选材

由于石油钻头一般都用于发掘重要矿产的场合, 所以对其刚性、硬度、耐磨性、抗疲劳强度(特别是在高温下的工作性能) 有着较高的要求。 石油钻头的毛坯一般都选用回转体棒料, 并根据用途的不同选用掺加不同元素的合金材料, 在加工过后还可以对成型的钻头通过涂覆防磨涂料或表面喷焊来增加其耐磨性; 通过喷涂耐腐层来增加其耐腐蚀性。 在根据钻头的应用场合来选定毛坯的同时也要考虑其可切削性, 切削性好的材料可以减少编程和加工时的困难, 让我们在编出更好、更合理的刀轨的同时, 也让表面的质量变得更好, 从而提高钻头的工作效率。

(3) 铣削装夹前对毛坯材料的处理

为了减少铣削加工量及在铣削时便于装夹, 我们可以先将毛坯材料车削加工成叶轮回转体基本形状。

注意: 在用车床把棒料车削成钻头毛坯时, 一定要保证好钻头毛坯一些部位的尺寸精度及位置精度, 以便于后续在加工中心上装夹、找正。

(4) 钻头加工难点及对应的加工方案

1) 因整体式钻头为复杂的曲面零件, 普通数控机床难以实现其加工需求, 所以最好选用五轴机床(简单对称的钻头也可以选用四轴机床加工)。 加工时采用五轴联动加工,而非3+2 定轴加工。

2) 钻头毛坯的形状通常比较复杂且难以加工, 所以要选用硬度和精度都合适的刀具。在钻头粗加工时尽可能选用大直径的铣刀, 这样加工效率比较高, 钻头精加工时选用带锥度(一般3° ～5°) 的球头铣刀, 以增加刀具的刚性, 避免刀具因刚性问题而折断, 同时也应合理选择切削用量。

3) 由于钻头镶嵌刀齿的切屑刃位置刚性较其他部位薄弱, 易变形, 所以要选择好刀具的类型, 选择好切削方法, 同时也要考虑好装夹类型和夹紧方式。

4) 钻头切削刃部位扭曲较大, 相邻刀刃间的空间较小, 因此在加工曲面时刀具不仅易与被加工的曲面发生干涉, 同时也易与相邻刀齿发生干涉, 所以在创建操作时要定义检查几何体, 正确安排刀具轨迹。

2. 石油钻头的粗加工(www.daowen.com)

型腔铣是我们平时常用(尤其在三轴加工中最常用) 的粗加工方法, 先用大刀对工件进行一粗, 去除工件大部分的余量; 再用小刀对工件进行二粗, 去除大刀切削残留的余量。 不过相比于Cimatron、PowerMill 等编程软件, UG 在对工件进行粗加工特别是在二粗时抬刀会比较多, 可以通过添加干涉面、合理设置工件区域之间和区域内的传递类型(有些工件形状或结构比较复杂, 局部形状、尺寸突变较大, 设置时须谨慎, 以避免因设置不恰当而导致加工时刀具碰撞工件) 来相应减少一些抬刀。

(1) 切削刃上半部分毛坯粗加工

对切削刃上半部分毛坯进行粗加工选用型腔铣方式, 具体操作如下。

“几何体” 选择“WORKPIECE” 创建MCS (机床坐标系), 从刀库调刀, 创建“操作”, 选择型腔铣。 其中“刀轴” 选择“+ZM”, “切削模式” 选择“跟随周边”, “步距”选择“刀具平直百分比”, “平直直径百分比” 键入“65”, “公共每刀切削深度” 选择“恒定”, “最大距离” 键入“6”。 单击“切削层” 右侧图标进入“切削层” 对话框, “范围类型” 选择“用户定义”, “切削层” 及“公共每刀切削深度” 都选择“恒定”, “最大距离” 键入“0.6”。 “范围深度” 这里键入“57.3”, 这个深度多少波动一些也是可以的,“测量开始位置” 选择“顶层”, 单击“确定” 按钮。 返回“型腔铣” 对话框, 生成并确认刀轨。

(2) 切削刃下半部分毛坯粗加工

对切削刃下半部分毛坯进行粗加工同样使用型腔铣方式, 具体操作如下。

“类型” 选择“mill_contour”, “几何体” 选择“WORKPIECE_1”, 单击“确定” 按钮进入“型腔铣” 对话框, 然后进入“刀轨设置”, 首先进行基本设置, “切削模式” 选择“跟随周边”, “步距” 选择“刀具平直百分比” 且“平面直径百分比” 键入“60” ,“公共每刀切削深度” 选择“恒定”, “最大距离” 键入“6”。 进入“切削层” 对话框后,“类型” 下的“范围类型” 更改为“用户定义”, “切削层” 及“公共每刀切削深度” 都选择“恒定”, “最大距离” 键入“0.6”, “范围深度” 这里键入“88”, 也可以用鼠标拖动高亮显示的面的法向箭头来调节范围深度, 这个深度多少波动一些也是可以的, 只要大于我们要粗加工的厚度即可, “测量开始位置” 选择“顶层”, 最后生成并确认刀轨。

(3) 切削刃之间的残留余量粗加工

对于切削刃之间的残留余量可以用较小直径的刀具进行粗加工, 采用区域轮廓铣的方式, 具体操作如下。

“类型” 选择“mill_contour”, “几何体” 需要更改成“MCS”, 进入“区域轮廓铣”对话框。 “指定部件” 选择为整个实体, “驱动方法” 选择“区域切削”, “方法” 选择“无”, “非陡峭切削模式” 选择“往复”, “切削方向” 选择“顺铣”, “步距” 选择“恒定”, “最大距离” 键入“0.2”, “步距已应用” 选择“在平面上”, “剖切角” 选择“自动”, “陡峭切削模式” 选择“深度加工往复”, “深度切削层” 选择“恒定”, “深度加工每刀切削深度” 键入“0.2”, “刀轴” 选择“指定矢量”, 选择“基准平面”, 矢量其实就是面的法向, 最后生成并确认刀轨。

(4) 对各个切削刃整体再次加工

加工整个切削刃可以采用型腔铣的深度轮廓加工, 具体操作如下。

进入“创建工序” 对话框, “类型” 选择“mill_contour”, “工序子类型” 选择“型腔铣”, “几何体” 选择“WORKPIECE”, 最后单击“确定” 按钮进入“深度轮廓加工”对话框。 在“深度轮廓加工” 对话框中首先设置“切削区域”, “陡峭空间范围” 选择“无”, “合并距离” 键入“3”, “最小切削长度” 键入“1”, “公共每刀切削深度” 选择“恒定”, “最大距离” 键入“0.3”。 “切削层” 对话框下的“范围类型” 选择“自动”, “切削层” 选择“最优化”, “公共每刀切削深度” 选择“恒定”, “最大距离” 键入“0.3”,单击“更多” 下边的“策略” 进入设置“切削参数” 对话框, 其中“切削方向” 选择“混合”, “切削顺序” 选择“深度优化”, 最后单击“操作” 下方的“生成刀轨” →“确认刀轨”。

(5) 对石油钻头表面及切削刃上的孔系加工

对石油钻头表面及切削刃上的孔系进行加工的具体操作如下。

进入“创建工序” 对话框, “类型” 选择“drill”, “工序子类型” 选择“啄钻”, “几何体” 需要更改成“WORKPIECE”, 单击“确定” 按钮进入“啄钻” 对话框。 在“啄钻” 对话框中单击“指定孔” 图标进入“点到几何体” 对话框, 单击“选择” →“面上所有孔”, 单击“确定” 按钮即可。 返回“啄钻” 对话框, “刀轴” 选择“垂直于部件表面”, 注意勾选“用圆弧的轴” 复选选项, 下面的“循环类型” 选择“标准钻, 深孔…”,单击“标准钻, 深孔…” 右侧的图标进入“指定参数组” 对话框, 单击“确定” 按钮进入“Cycle 参数” 对话框, 单击“Rtrcto-关” (控制退刀的功能) 确定后单击“自动”, 返回“啄钻” 对话框, 单击“操作” 下的“生成刀轨” →“确认刀轨” 播放生成的动画模拟加工过程。

任务实施

根据课程内容写出石油钻头加工的主要内容。

知识拓展

怎么在VERICUT 软件中模拟石油钻头的整个加工过程?