基于powermillPDC石油鉆頭本體的五軸聯動數控加工的應用

       PDC（Polycrystalline Diamond Compact 聚晶金剛石復合片）石油鉆頭屬于結構形狀比較復雜的孔加工工具，其形狀比較特殊，石油鉆頭本體的每個切削刃有許多鑲嵌金剛石的盲孔，鉆頭依靠這些金剛石刀片進行切削，此款鉆頭較前期的鉆頭有所改進，其在金剛石刀片的根部增加支撐，改善鉆頭的受力，鉆頭的應力分布，從而大大改善鉆頭的壽命。傳統的三軸數控加工很難滿足此類零件的加工要求，且工藝復雜，加工時間長，難以保證產品質量和時效性。而五軸聯動的數控加工，可在一次裝夾的情況下，加工五個面，在直紋面和斜面時利用刀具的側刃和底刃進行加工，提高了加工效率和質量，大大縮短產品制造周期。
　　1   工藝分析
　　石油鉆頭的本體最大外形尺寸為248mm×293mm，曲面較多，局部最小半徑4mm，而且鉆頭根部的拔模角為負值，孔的軸向都不一樣。
　　根據以上情況，機床選用DMG五軸加工中心DMU50。該機床性能穩定，其機床精度是0.005mm。該機床工作參數為：X軸行程范圍為-450～0mm;Y軸行程范圍為-580～0mm;Z軸行程范圍為-480～0mm;B軸行程范圍為-5～110°;C軸行程范圍為0～360;最高轉速16000r/mm，滿足產品質量的要求。
　　由于鉆頭上有許多孔，在粗加工時，這些孔會生成刀具軌跡，會減慢機床的速度，故在加工孔前將孔全部補全。由于鉆頭尺寸較大，考慮對刀具的要求，將鉆頭的加工分為兩個區域，分別是石油鉆頭切削刃上部和石油鉆頭切削刃根部。
　　1.1 石油鉆頭本體的加工工藝
　?。?）鉆頭切削刃部上部的三軸開粗;
　?。?）鉆頭切削刃部根部3+2軸定向開粗;
　　（3）鉆頭切削刃上部表面的半精加工和精加工;
　　（4）鉆頭切削刃根部表面的半精加工和精加工;
　　（5）銑削孔;
　?。?）銑削螺紋。
　　1.2 編寫五軸加工程序
　?。?）刀具的選擇。
　　刀具的選擇應根據機床的性能，產品的形狀，加工材質和加工的成本等方面考慮。在粗加工時盡可能選擇刀具直徑較大的平底刀或者盤銑刀，材料切除率較高，二次開粗選用合適的立銑刀，半精加工和精加工選用合適的球刀，如表1。
　　2   程序編寫
　　（1）鉆頭切削刃上部開粗。
　　由于鉆頭切削刃上部的去除材料較多，所以在開粗是采用?63方肩盤銑刀，?20機夾刀，和?12立銑刀二次開粗，首先使用?63方肩盤銑刀開粗，選用的加工策略為模型區域清除，打開加工策略表格，設置切削參數，下切步距每層1mm，加工余量0.5mm，勾選允許刀具在平坦面以外，應用策略，計算刀軌，計算完成后進行碰撞檢查和過切檢查。
　　二次開粗，創建殘留模型，將?63方肩盤銑刀開粗程序添加到殘留模型，計算得到殘留模型，使用?20機夾刀和?12的立銑刀進行二次開粗，選用的加工策略為模型區域清除，打開加工策略表格，設置切削參數，勾選殘留加工，在殘留對話框中，選擇殘留模型， 下切步距每層1mm，加工余量0.5mm，應用策略，計算刀軌。這樣生成的刀具軌跡避免空刀，提高生成效率。之后可以用?12的立銑刀進行開粗，方法同上。
　　（2）鉆頭切削刃根部開粗。
　　鉆頭切削刃根部開粗采用的是?20機夾刀進行3+2軸定向加工，此加工區域為圓柱的外表面，可將此區域3等分，依次加工，加工策略選用模型區域清除，創建新坐標系，運用用戶坐標系對齊于幾何形體，選擇合適的表面，建立用戶坐標系，加工深度可以在下切歩距中通過手動設置，根據刀具伸出的長度靈活設置，其他參數合理設置，應用策略，計算刀軌。
　?。?）鉆頭切削刃上部半精加工和精加工。
　　鉆頭切削刃上部側面通過分析由直紋面組成，采用SWARF精加工策略，可以大大縮短加工時間，通過設置合理的參數，可以得到刀具軌跡。鉆頭切削刃上部頂面由多個曲面組成，如果每個面單獨加工比較繁瑣，此處考慮添加輔助曲面，采用曲面投影精加工，刀軸設置為指向點（0，0，-300），通過合理設置其他參數，可以得到刀具軌跡。半精加工和精加工使用的相同的加工策略，唯一不同就是加工余量的設置。鉆頭切削刃上部底面，采用最佳等高精加工策略，通過合理設置其他參數。
　?。?）鉆頭切削刃根部半精加工和精加工。
　　此部分根據零件的形狀同樣也采用兩種加工策略，一種加工策略是曲面精加工，刀軸設置為指向點（0，0，-300），通過合理設置其他參數，可以得到刀具軌跡。另一種加工策略是平面投影精加工，通過合理設置其他參數，可以得到刀具軌跡。
　?。?）鉆頭孔加工。
　　鉆頭孔加工，采用鉆孔策略，循環類型選擇螺旋，采用螺旋銑孔的方式加工，銑孔要有特征，通過特征對話框，勾選“多軸”和“通過不完整的孔產生”點擊“應用”，即可產生孔的特征要素，在點擊鉆孔策略，通過合理設置其他參數，可以得到刀具軌跡。螺紋銑削加工與孔加工策略相同。
　　3   零件加工
　?。?）后處理。
　　選擇與DMU50數控機床相匹配的后處理程序，生成機床可以識別的代碼。通過海德漢公司的傳輸軟件，將加工程序傳輸到機床。
　?。?）零件的加工。
　　在機床上進行零件加工的流程為：①安裝毛坯，此處采用壓板將毛坯安裝于工作臺（車床加工的工序已經完成）。②安裝刀具，根據程序中設定的刀具，一一對應的安裝到刀庫，同時要將刀具伸出長度比軟件中設定的略長，此處的刀長必須為絕對刀長。③設定加工坐標系，XY方向的零點位于毛坯的中心，Z向的零點位于毛坯的最上表面。④零件加工，依次調入相應的數控程序加工工件。
　　4   結語
　　通過POWERMILL軟件的編程，將此鉆頭分為鉆頭切削刃上部和鉆頭切削刃根部兩加工區域，尤其在鉆頭切削刃上部表面半精加工和精加工采用SWARF精加工策略，通過五軸聯動的技術進行表面的半精加工和精加工，替代傳統用球頭銑刀加工，大大縮短加工時間，提高了生產效率