基于powermillPDC石油钻头本体的五轴联动数控加工的应用

王如军

摘   要：分析PDC石油钻头本体的五轴联动数控加工工艺，通过合理选择powermill软件的加工策略，设置合理的刀轴控制方式，运用3轴加工，3+2轴加工和五轴联动方法生成程序，经后处理产生NC代码，通过五轴加工中心进行产品加工，尤其在钻头切削刃上部的半精加工和精加工采用SWARF加工策略，大大缩短了加工时间，提高生产效益。

关键词：石油钻头  五轴联动  SWARF加工

PDC（Polycrystalline Diamond Compact 聚晶金刚石复合片）石油钻头属于结构形状比较复杂的孔加工工具，其形状比较特殊，石油钻头本体的每个切削刃有许多镶嵌金刚石的盲孔，钻头依靠这些金刚石刀片进行切削，此款钻头较前期的钻头有所改进，其在金刚石刀片的根部增加支撑，改善钻头的受力，钻头的应力分布，从而大大改善钻头的寿命。传统的三轴数控加工很难满足此类零件的加工要求，且工艺复杂，加工时间长，难以保证产品质量和时效性。而五轴联动的数控加工，可在一次装夹的情况下，加工五个面，在直纹面和斜面时利用刀具的侧刃和底刃进行加工，提高了加工效率和质量，大大缩短产品制造周期。

1  工艺分析

石油钻头的本体最大外形尺寸为248mm×293mm，曲面较多，局部最小半径4mm，而且钻头根部的拔模角为负值，孔的轴向都不一样。

根据以上情况，机床选用DMG五轴加工中心DMU50。该机床性能稳定，其机床精度是0.005mm。该机床工作参数为：X轴行程范围为-450～0mm;Y轴行程范围为-580～0mm;Z轴行程范围为-480～0mm;B轴行程范围为-5～110°;C轴行程范围为0～360;最高转速16000r/mm，满足产品质量的要求。

由于钻头上有许多孔，在粗加工时，这些孔会生成刀具轨迹，会减慢机床的速度，故在加工孔前将孔全部补全。由于钻头尺寸较大，考虑对刀具的要求，将钻头的加工分为两个区域，分别是石油钻头切削刃上部和石油钻头切削刃根部。

1.1 石油钻头本体的加工工艺

（1）钻头切削刃部上部的三轴开粗;

（2）钻头切削刃部根部3+2轴定向开粗;

（3）钻头切削刃上部表面的半精加工和精加工;

（4）钻头切削刃根部表面的半精加工和精加工;

（5）銑削孔;

（6）铣削螺纹。

1.2 编写五轴加工程序

（1）刀具的选择。

刀具的选择应根据机床的性能，产品的形状，加工材质和加工的成本等方面考虑。在粗加工时尽可能选择刀具直径较大的平底刀或者盘铣刀，材料切除率较高，二次开粗选用合适的立铣刀，半精加工和精加工选用合适的球刀，如表1。

2  程序编写

（1）钻头切削刃上部开粗。

由于钻头切削刃上部的去除材料较多，所以在开粗是采用?63方肩盘铣刀，?20机夹刀，和?12立铣刀二次开粗，首先使用?63方肩盘铣刀开粗，选用的加工策略为模型区域清除，打开加工策略表格，设置切削参数，下切步距每层1mm，加工余量0.5mm，勾选允许刀具在平坦面以外，应用策略，计算刀轨，计算完成后进行碰撞检查和过切检查。

二次开粗，创建残留模型，将?63方肩盘铣刀开粗程序添加到残留模型，计算得到残留模型，使用?20机夹刀和?12的立铣刀进行二次开粗，选用的加工策略为模型区域清除，打开加工策略表格，设置切削参数，勾选残留加工，在残留对话框中，选择残留模型， 下切步距每层1mm，加工余量0.5mm，应用策略，计算刀轨。这样生成的刀具轨迹避免空刀，提高生成效率。之后可以用?12的立铣刀进行开粗，方法同上。

（2）钻头切削刃根部开粗。

钻头切削刃根部开粗采用的是?20机夹刀进行3+2轴定向加工，此加工区域为圆柱的外表面，可将此区域3等分，依次加工，加工策略选用模型区域清除，创建新坐标系，运用用户坐标系对齐于几何形体，选择合适的表面，建立用户坐标系，加工深度可以在下切歩距中通过手动设置，根据刀具伸出的长度灵活设置，其他参数合理设置，应用策略，计算刀轨。

（3）钻头切削刃上部半精加工和精加工。

钻头切削刃上部侧面通过分析由直纹面组成，采用SWARF精加工策略，可以大大缩短加工时间，通过设置合理的参数，可以得到刀具轨迹。钻头切削刃上部顶面由多个曲面组成，如果每个面单独加工比较繁琐，此处考虑添加辅助曲面，采用曲面投影精加工，刀轴设置为指向点（0，0，-300），通过合理设置其他参数，可以得到刀具轨迹。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设置。钻头切削刃上部底面，采用最佳等高精加工策略，通过合理设置其他参数。

（4）钻头切削刃根部半精加工和精加工。

此部分根据零件的形状同样也采用两种加工策略，一种加工策略是曲面精加工，刀轴设置为指向点（0，0，-300），通过合理设置其他参数，可以得到刀具轨迹。另一种加工策略是平面投影精加工，通过合理设置其他参数，可以得到刀具轨迹。

（5）钻头孔加工。

钻头孔加工，采用钻孔策略，循环类型选择螺旋，采用螺旋铣孔的方式加工，铣孔要有特征，通过特征对话框，勾选“多轴”和“通过不完整的孔产生”点击“应用”，即可产生孔的特征要素，在点击钻孔策略，通过合理设置其他参数，可以得到刀具轨迹。螺纹铣削加工与孔加工策略相同。

3  零件加工

（1）后处理。

选择与DMU50数控机床相匹配的后处理程序，生成机床可以识别的代码。通过海德汉公司的传输软件，将加工程序传输到机床。

（2）零件的加工。

在机床上进行零件加工的流程为：①安装毛坯，此处采用压板将毛坯安装于工作台（车床加工的工序已经完成）。②安装刀具，根据程序中设定的刀具，一一对应的安装到刀库，同时要将刀具伸出长度比软件中设定的略长，此处的刀长必须为绝对刀长。③设定加工坐标系，XY方向的零点位于毛坯的中心，Z向的零点位于毛坯的最上表面。④零件加工，依次调入相应的数控程序加工工件。

4  结语

通过POWERMILL软件的编程，将此钻头分为钻头切削刃上部和钻头切削刃根部两加工区域，尤其在钻头切削刃上部表面半精加工和精加工采用SWARF精加工策略，通过五轴联动的技术进行表面的半精加工和精加工，替代传统用球头铣刀加工，大大缩短加工时间，提高了生产效率。

参考文献

[1] 宋放之.数控机床多轴加工技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 朱克忆. PowerMILL多轴数控加工编程使用教程[M].北京：机械工业出版社，2010.