數(shù)控加工球頭銑刀與刀面加工應(yīng)用研究

1、<p>　　數(shù)控加工球頭銑刀與刀面加工應(yīng)用研究</p><p>　　【摘要】本文對(duì)采用與軸線(xiàn)成定角螺旋刃口的球頭銑刀在設(shè)計(jì)、制造中的難點(diǎn)以及相應(yīng)的處理方法和數(shù)學(xué)模型作一簡(jiǎn)介，然后通過(guò)虛擬制造中的相應(yīng)圖形驗(yàn)證其可行性。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】二軸聯(lián)動(dòng)；數(shù)控加工；球頭銑刀；應(yīng)用研究 </p><p>　　1球頂刃口曲線(xiàn)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法 </p

2、><p>　　螺旋刃口的設(shè)計(jì)難點(diǎn) 令球頭銑刀的球面方程為 </p><p>　　r={（R2-z2）?cosf，（R2-z2）? sinf，z} （1） </p><p>　　式中：R――球面半徑 z，f――球面參數(shù) 球面上與軸線(xiàn)成定角y 的刃口曲線(xiàn)應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足微分方程 </p><p><b>　?。?） </b></p

3、><p>　　當(dāng)R2tan2y-z2sec2y Rsiny 時(shí)微分方程無(wú)實(shí)解，也即在此部分球面上設(shè)計(jì)不出與軸線(xiàn)成y 角的刃口曲線(xiàn)。后續(xù)平面刃口曲線(xiàn) 由于在球頭上z∈[Rsiny，R]的部分區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)不出與軸線(xiàn)成y 角的刃口曲線(xiàn)，因此只能用其它刃口曲線(xiàn)替代，最簡(jiǎn)單的方法是用平面刃口曲線(xiàn)替代。如要保證刃口曲線(xiàn)在連接點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，且前角相等，取z=Rsiny 的刃口曲線(xiàn)點(diǎn)作為連接點(diǎn)并不合適。由《球頭銑刀刃口曲線(xiàn)的求解

4、及螺旋溝槽的二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工》可知，磨削溝槽時(shí)砂輪的軸向、徑向進(jìn)給速度分別為 </p><p><b>　　（3） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中：r―溝槽底部所在的截圓半徑 w―刀體回轉(zhuǎn)角速度 </p><p>　　當(dāng)加工接近z=Rsiny 的溝槽

5、時(shí)，進(jìn)給速度vz、vg均趨于無(wú)窮大，這在實(shí)際制造中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，在選擇連接點(diǎn)時(shí)，應(yīng)離開(kāi)z=Rsiny 一定距離，避免因進(jìn)給速度劇變而給工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)的困難，選取z=Rsin（y -y0）（y0>0）即可解決這一難題。 下面的問(wèn)題是求平面方程。雖然許多文獻(xiàn)均提及這一問(wèn)題，但均未給出數(shù)學(xué)模型，故簡(jiǎn)介如下：由《球頭銑刀刃口曲線(xiàn)的求解及螺旋溝槽的二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工》可求出z=Rsin（y-y0）時(shí)得到的刃口點(diǎn)A的坐標(biāo)（ x1，y1，z0

6、）（如圖2所示）以及A點(diǎn)刃口的切線(xiàn)向量為 </p><p>　　r1’=（ x1’，y1’，z1’） （5） </p><p>　　由A 點(diǎn)作Z 軸垂線(xiàn)交Z 軸于B 點(diǎn)，則B 點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，z0），因此刃口所在平面除過(guò)A 點(diǎn)和切向量r1’外，還需過(guò)與AB 成g 角的前刀面上的截線(xiàn)AC，由直角三角形ABC 中∠C=p/2，∠BAC=g（前角）可知，C 點(diǎn)坐標(biāo)（ x*，y*，z0）滿(mǎn)足方程

7、組 </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　由上述方程組求出x*和y*，則刃口所在平面方程為 </p><p>　　{x1’，y1’，z1’}×{x*-x1，y*-y1，0}×{x-x1，y-y1，z-z0}=0 </p><p><b>　　即 </b&g

8、t;</p><p>　　z1（’ y1-y*）（ x-x1）+z1（’ x*-x1）（ y-y1）+[ x1（’ y*-y1）-y1（’ x*-x1）]（ z-z0）=0 （7） </p><p>　　平面方程（7）與球面方程（1）的交線(xiàn)即為刃口曲線(xiàn)。顯然，這一刃口曲線(xiàn)既與原設(shè)計(jì)刃口在連接處連續(xù)，又對(duì)應(yīng)前刀面有前角g。后續(xù)螺旋刃口曲線(xiàn) 如許多文獻(xiàn)所述，平面刃口不利于排屑，有文獻(xiàn)提出用橢圓

9、柱與球面交線(xiàn)作為刃口曲線(xiàn)的設(shè)想，其目的也是有利于排屑。為使本文不致過(guò)于冗長(zhǎng)，這里僅對(duì)采用另外兩種定義（與經(jīng)線(xiàn)成定角和等螺距）的刃口曲線(xiàn)替代球頭上z∈[Rsin（y-y0），R]部分刃口曲線(xiàn)的思路作一簡(jiǎn)介。 事實(shí)上，《球頭銑刀刃口曲線(xiàn)的求解及螺旋溝槽的二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工》已給出了與經(jīng)線(xiàn)成定角和等螺距兩種刃口曲線(xiàn)的整套計(jì)算公式，因此關(guān)鍵在于連接點(diǎn)處的計(jì)算。這比采用平面刃口法更易處理，只需將點(diǎn)A（ x1，y1，z0）的參數(shù)f=f（ z0）設(shè)為求

10、替代刃口曲線(xiàn)在該點(diǎn)相應(yīng)參數(shù)f 時(shí)的積分初值即可，這相當(dāng)于將與經(jīng)線(xiàn)成定角（或等螺距）的螺旋線(xiàn)連接到已有的與軸線(xiàn)成定角的螺旋線(xiàn)上，由于前角一致，故可按《球頭銑刀刃口曲線(xiàn)的求解及螺旋溝槽的二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工》的相應(yīng)方法進(jìn)行加工，即可得到復(fù)合型的兩段螺旋刃口及溝槽。 </p><p>　　2 球頂刃口曲線(xiàn)的加工問(wèn)題 </p><p>　　除可用平面曲線(xiàn)對(duì)球頂刃口曲線(xiàn)進(jìn)行修正外，用上述與經(jīng)線(xiàn)成定角或等

11、螺距的螺旋刃口作為后續(xù)刃口曲線(xiàn)時(shí)都會(huì)遇到《球頭銑刀刃口曲線(xiàn)的求解及螺旋溝槽的二軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工》提及的加工問(wèn)題，即當(dāng)加工至半徑滿(mǎn)足（R2-z2）?<R（2?-1）r1/r后，過(guò)切將不可避免。按上述方法對(duì)設(shè)計(jì)和制造難點(diǎn)進(jìn)行處理后，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬制造驗(yàn)證。由計(jì)算機(jī)虛擬制造圖可見(jiàn)：用平面刃口曲線(xiàn)填補(bǔ)與軸線(xiàn)成定角刃口曲線(xiàn)時(shí)，刃口曲線(xiàn)是連續(xù)光滑的；用其它兩種螺旋刃口曲線(xiàn)填補(bǔ)與軸線(xiàn)成定角刃口曲線(xiàn)時(shí)，刃口曲線(xiàn)為兩種螺旋線(xiàn)的組合。采用更換砂

12、輪法制造的這段刃口曲線(xiàn)與原刃口曲線(xiàn)的連接是連續(xù)光滑的，只是溝槽截形發(fā)生了變化。在球頭銑刀的設(shè)計(jì)與制造中確實(shí)存在容易疏忽的難點(diǎn)問(wèn)題，解決這些問(wèn)題提供有效的方法是必要的。 </p><p>　　3 CNC加工中心與應(yīng)用分析 </p><p>　　3.1CNC加工中心 </p><p>　　CNC加工床，在廣、江浙滬一帶有人叫“CNC加工中心”，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自

13、動(dòng)化機(jī)床。，（數(shù)控機(jī)床）是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種由程序控制的自動(dòng)化機(jī)床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號(hào)指令規(guī)定的程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。通過(guò)刀具切削將毛坯料加工成半成品成品零件等。 </p><p>　　3.2CNC加工（CNC Machining） </p><p>　　數(shù)控加工

14、是指用數(shù)控的加工工具進(jìn)行的加工。CNC指數(shù)控機(jī)床由數(shù)控加工語(yǔ)言進(jìn)行編程控制，通常為G代碼。數(shù)控加工G代碼語(yǔ)言告訴數(shù)控機(jī)床的加工刀具采用何種 笛卡爾位置坐標(biāo)，并控制刀具的進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速，以及工具變換器、冷卻劑等功能。數(shù)控加工相對(duì)手動(dòng)加工具有很大的優(yōu)勢(shì)，如數(shù)控加工生產(chǎn)出的零件非常精確并具有可重復(fù)性；數(shù)控加工可以生產(chǎn)手動(dòng)加工無(wú)法完成的具有復(fù)雜外形的零件。數(shù)控加工 技術(shù)現(xiàn)已普遍推廣，大多數(shù)的機(jī)加工車(chē)間都具有數(shù)控加工能力，典型的機(jī)加工車(chē)間中最

15、常見(jiàn)的數(shù)控加工方式有數(shù)控銑、數(shù)控車(chē)和數(shù)控EDM線(xiàn)切割（電火花線(xiàn)切割）。 </p><p>　　進(jìn)行數(shù)控銑的工具叫做數(shù)控銑床或數(shù)控加工中心。進(jìn)行數(shù)控車(chē)削加工的車(chē)床叫做數(shù)控車(chē)工中心。數(shù)控加工G代碼可以人工編程，但通常機(jī)加工車(chē)間用CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）軟件自動(dòng)讀取CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）文件并生成G代碼程序，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控 制。 技術(shù)領(lǐng)先的數(shù)控機(jī)床品牌有Hass、DMG （Deckel Maho Gildemeis

16、ter）、Mazak、Mori Seiki、Fadal和 Wasino。 </p><p><b>　　4結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　本文內(nèi)容僅反映了球頭銑刀非數(shù)控加工原理的基本框架，如需在工藝上實(shí)現(xiàn)該加工方法，則需根據(jù)其他文獻(xiàn)及本文框架補(bǔ)齊相應(yīng)的非主干模型，再用于指導(dǎo)生產(chǎn)。 </p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】 <

17、;/b></p><p>　　1邵建華，C.Y.Chan，劉鵠然.在簡(jiǎn)易數(shù)控刃磨機(jī)上加工旋轉(zhuǎn)銼[J].工具技術(shù).2004年04期 </p><p>　　2 唐余勇，呂廣明，汪云濤.幾類(lèi)求相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工程反算方法[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào).2002年03期 </p><p>　　3 呂寶占，陳桂芳.球頭銑刀數(shù)控加工等距型面孔的理論探討[J].煤礦機(jī)電.2003