皮尔格轧辊多轴加工建模及编程

巩振峰 ,任涛

摘要 皮尔格轧辊现在的批量生产加工工艺是采用皮尔格专用车床，且车床要按工艺分为粗加工专用车床，精加工专用车床。各型号车床无法实现通用化，在新产品研发、试制阶段，要根据新产品型号制造专用加工靠模，导致研发成本高涨。通过UG软件对皮尔格轧辊的3维建模，使用4轴加工通用设备对皮尔格轧辊的孔型进行成型加工，降低了皮尔格轧辊新产品研发及小批量产品的成本，加快了产品的研制速度，具有很好的经济效益。

关键词 皮尔格轧辊UG 3维建模多轴加工

引言

我国现阶段皮尔格轧辊的加工普遍采用专用车床，该种加工方式加工效率高，对大批量成熟型号产品的加工，具有较大优势。但设备存在通用性差，研发及小批量制造阶段成本高的缺点，不利于新产品的研发及试制以及小批量产品的制造。

我公司在制造皮尔格轧辊的过程中，不断总结经验，经过科研攻关，使用UG软件对皮尔格轧辊孔型进行3维精确建模，通过自动编程，使用4轴落地镗铣加工中心实现了对皮尔格轧辊孔型的开粗及精加工。下面对某公司520孔型皮尔格轧辊的建模及编程过程做详细介绍。

520孔型轧辊的3维建模

520轧辊的图纸及孔型表

图1-1 520轧辊设计图

表1-1 520轧辊孔型表

辊缝	测量角度	孔型半径	孔型宽	孔型高	辊环宽	开口角
80	0	325	704.3673	285	247.82	30
80	10	339.06	736.8354	299.0591	231.58	30
80	20	340	739.0083	300	230.5	30
80	30	339.98	738.9681	299.98256	230.52	30
80	40	339.83	738.6071	299.82628	230.7	30
80	50	339.46	737.7509	299.45551	231.12	30
80	60	338.76	736.1405	298.75818	231.93	30
80	70	337.47	733.1587	297.46702	233.42	30
80	80	334.32	725.8844	294.31716	237.06	30
80	90	321.83	697.0537	281.83309	251.47	30
80	100	310.28	670.3729	270.28	264.81	30
80	110	300.01	646.6574	260.01086	276.67	30
80	120	291.03	625.907	251.02568	287.05	30
80	130	283.32	608.1218	243.32444	295.94	30
80	140	276.91	593.3017	236.90716	303.35	30
80	150	271.77	576.8442	231.77383	311.58	29.93
80	160	267.92	562.8337	227.92444	318.56	27.6
80	170	265.36	552.3472	225.35901	323.83	26.27
80	180	263.67	544.3415	223.6667	327.83	24.93
80	190	262.00	536.8748	222	331.56	23.6
80	200	260.33	529.8651	220.33333	335.07	22.27
80	210	260.00	528.516	222	335.74	22
80	220	260.00	528.516	220	335.74	22
80	230	260.00	528.516	220	335.74	22
80	240	260.00	528.516	220	335.74	22
80	250	260.00	528.516	222	335.74	22
80	260	260.00	528.516	220	335.74	22
80	270	260.00	528.516	220	335.74	22
80	280	260.33	531.3902	220.33231	334.30	22.89
80	290	261.41	536.0685	221.4101	331.97	23.78
80	300	263.39	542.9264	223.38604	328.54	24.67
80	310	266.47	552.487	226.47332	323.76	25.56
80	320	270.99	565.5172	230.9858	317.24	26.44
80	330	277.42	583.2246	237.42051	308.39	27.33
80	340	286.66	607.7256	246.65529	296.14	28.22
80	350	300.55	643.4676	260.55192	278.27	29.11

520孔型轧辊建模步骤

根据孔型表中数据，将每一孔型的草图在相应角度绘制出来。具体步骤如下。首先打开UG建模界面，进入草图绘制，画直径1400mm圆，利用拉伸命令，拉伸长度1200mm，生成圆柱实体，命名为体1。再通过毛坯端面中心，建立轴向基准平面1，在基准平面1上，绘制出0°孔型草图，0°孔型草图曲线相对于圆柱轴向中心点对称。再通过圆柱中心轴线将基准平面1旋转10°，建立基准平面2，再在基准平面2上，绘制10°孔型草图，重复上述步骤，依次将20°至350°孔型草图画出，完成520皮尔格轧辊的空间草图。空间草图完成后，首先将0°孔型的封闭线段利用点命令，打开点操作界面，在类型中选择交点，选择圆柱面为曲面，选择0°孔型线为相交曲线，点击应用得到0°孔型草图曲线与圆柱面的两个交点，两个交点分别位于圆柱面的两端，且相对于圆柱轴向中心店对称。将端交点命名为A1，另一端交点命名为B1。再将10°孔型的封闭线段利用点命令，打开点操作界面，在类型中选择交点，选择圆柱面为曲面，选择10°孔型线为相交曲线，点击应用得到10°孔型草图曲线与圆柱面的两个交点，两个交点分别位于圆柱面的两端，且相对于圆柱轴向中心店对称。将端交点命名为A2，另一端交点命名为B2.重复上述步骤，依次将20读至350°孔型草图曲线与圆柱面的交点生成，分别命名为A3、A4...A35，B3，B4...B35。利用曲线功能中的曲面上的曲线命令，曲面选择圆柱面，将A1至A35的35个交点连接成封闭曲线，命名为A曲线。然后用相同命令将B1至B35的35个交点连接成封闭曲线，命名为B曲线。

图1-2 520孔型轧辊草图

进入UG扫掠命令界面，分别选择0°孔型曲线和10°孔型曲线为截面线，注意此处先选择0°孔型曲线，再按添加新集，选择10°孔型曲线为另一条界面曲线（如一起选择两条曲线，将无法使用后续扫掠命令）。两条截面线的箭头方向要保持一致。分别选择A曲线和B曲线作为引导线，两条引导线的箭头方向要保持一致。截面位置选择沿引导线任何位置，体类型选择实体，按应用生成0°至10°区间的孔型实体。分别选择10°孔型曲线和20°孔型曲线为截面线，两条截面线的箭头方向要保持一致。分别选择A曲线和B曲线作为引导线，两条引导线的箭头方向要保持一致。截面位置选择沿引导线任何位置，体类型选择实体，按应用生成10°至20°区间的孔型实体。重复上述步骤，依次生成20°至30°，30°至40°..直到生成350°至0°的共36个孔型实体。再利用合并命令，将36个孔型实体合并成一个实体，命名为体2。见下图。

图1-3  520孔型轧辊实体图

利用建模中的减去命令，选择体1为目标体，选择体2为工具体，设置项勾选保存目标，按应用生成新的实体，命名为体3，见下图。

图1-4  520孔型轧辊实体图

UG加工编程

为了提高加工中心的加工效率，首先使用普车粗开孔型，孔型半径统一为R240mm，这样可以高效的加工掉大部分加工余量。车床加工后的粗开毛坯实体如下图，将该实体命名为体4.

图2-1 车床加工后的粗开毛坯实体图

利用UG型腔铣命令进行二次粗加工，首先设置加工坐标系原点，X方向原点利用体3圆柱轴向两端面分中，Y方向取圆柱径向的中心，Z方向取圆柱径向的最高点，加工坐标系命名为ZB1，如下图。选择体3为指定部件，选择体4为制定毛坯。刀具选择D100R5，切削模式选择跟随部件，为避免多余刀路，选择孔型面为加工区域，所有孔型预留20mm调质余量。步距设置为刀具直径的80%，为提高粗加工效率，减轻刀具切削过程中的颤动，在切削层设置中，0-200深度范围内每刀切削深度设置为2mm,200-400mm深度范围内每刀切削深度设置为1mm,400-800mm深度范围内每刀切削深度设置为0.5mm(由于此件的外形特征，下半部分存在倒扣区域，三轴加工中心最大加工深度只能达到800mm)。ZB1加工坐标系加工完成后，将工件在XZ平面内绕Y轴旋转180°，按ZB1加工坐标系的设置方法设置ZB2加工坐标系。使用ZB2坐标系,刀具选择D100R5，切削模式选择跟随部件，为避免多余刀路，选择孔型面为加工区域，所有孔型预留20mm调质余量。步距设置为刀具直径的80%，为提高粗加工效率，减轻刀具切削过程中的颤动，在切削层设置中，0-200深度范围内每刀切削深度设置为2mm,200-400mm深度范围内每刀切削深度设置为1mm,400-700mm深度范围内每刀切削深度设置为0.5mm。ZB2坐标系下，将切削深度设置为最深处700mm,主要是为了接刀处余量去除干净，圆滑过渡。其余加工参数设置，按常规要求执行。我司使用的三轴落地镗铣加工中心的主轴直径为200mm,为避免加工中刀具颤动以及与孔型两端面干涉，我司选用长度750mm直径为75mm的防颤刀杆，取得良好的加工效果。

二次粗加工后的后的零件，进行调质热处理后，再次使用型腔铣命令进行半精加工，刀具选择D100R5，刀杆长度750mm。首先使用ZB1坐标系，指定部件和指定毛坯继承二次粗加工程序，切削模式选择跟随部件，步距选择刀具半径的30%，部件余量设置为1mm,每刀切削深度设置为1mm,切削参数设置中的空间范围设置为使用基于层的，最小除料量设置为0.5mm。然后使用ZB2坐标系，指定部件和指定毛坯继承二次粗加工程序，切削模式选择跟随部件，步距选择刀具半径的30%，部件余量设置为1mm,每刀切削深度设置为1mm,切削参数设置中的空间范围设置为使用基于层的，最小除料量设置为0.5mm。通过上述两步骤的加工可将加工余量降至1mm，为最终的精加工创造条件。

半精加工后的零件，转至四轴加工中心设备进行精加工。将加工坐标系原点设置在体3端面的中心，安全设置选项选择圆柱，指定点选择体3端面的中心，指定矢量为圆柱轴向，半径设置为1000mm。刀具设置为B100的球刀。驱动方法选择曲面，驱动几何体选择整个孔型面，刀具位置选择相切，切削模式选择螺旋，歩距数设置为150。投影矢量选择刀轴，刀轴选择远离曲线。切削参数中，多刀路部件余量偏置设置为1mm，歩进方法设置为增量，数值设置为0.5mm。非切削参数设置中的进刀，设置为插铣。转移快速中的安全设置选项设置为圆柱，指定点选择体3端面的中心，制定矢量为圆柱轴向，半径设置为1000mm。其余参数按常规要求设置。设置完成后，生成如下图的精加工刀路。

此加工工艺的开发成功，对企业新产品研发，小批量试制具有重大意义，大大缩短了研发周期，降低了研发成本，取得了较大的经济效益。

参考文献

[1] 李涛. 皮尔格轧辊加工在线编程技术的研究与实现[D]. 华中科技大学, 2015.

[2] 朱清华. 皮尔格轧管机主传动对轧辊同步性影响分析[J]. 中国科技投资, 2018.

[3] 王爱春. 周期冷轧辊孔型数控车削加工分析[J]. 冶金设备, 2018(2):4.