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球形曲面的数控加工思考

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球形曲面是最基本的曲面之一,如球面阀、滚珠和相应的球面槽等零件都有这样的轮廓。而球面的加工既要保证精度和表面粗糙度要求,又要经济合理,因此合理的确定走刀路线非常重要,而在实际的生产过程中,操作者常是根据经验或试加工来确定步长保证零件的加工精度。因此,合理的确定走刀步长是曲面加工中要解决的一个重要问题。很多学者在自由曲面的加工中对步长的控制提出各种算法,如参数线加工方法、截面线加工方法、导动面法等。其中的一种算法为等残留高度,而在这些算法都是通过编程软件来生成刀具的路径,然后自动生成数控加工程序,对编程者的软件操作和数学知识要求较高。因此本文探索利用三坐标铣床加工球面,用手工编程来实现基于等残留高度的球面宏程序的编制方法。为有效的保证球形曲面类零件的加工质量和提高加工效率,具有重要的实际意义。

1球形曲面残留高度的计算

本文研究球头铣刀精加工球形曲面时残留高度的大小,如图1所示,球面半径为R,球头刀半径为r,当采用等角度加工时,刀具切削一圈,加工弧长递增圆心角为θ,则H即为残留高度值。由上式可知,当球形曲面半径R确定时,加工的残留高度由球头刀半径r和步进角θ决定。因此要合理的选择球头刀半径r和步进角θ的大小,保证零件加工残留高度在精度范围内。另外残留高度受球头铣刀刀具行间相位差影响也较大,相位差由刀具的齿数和每齿进给量决定。而在刀具齿数选定的情况下,在如图1的球形曲面加工中,进给量的控制要求也是一个变化的值,给编程带来一定的难度。那么在选定刀具的情况下,步进角的控制就直接影响零件加工的残留高度。所以,在残留高度确定的情况下,如何选择步进角的大小至关重要。

2表面粗糙度和残留高度的关系

影响表面粗糙度的因素可以分成为几何因素和非几何因素。几何因素主要包括:刀具半径R、刀具每转进给量、行间距S等。影响粗糙度的非几何因素包括:积屑瘤、鳞刺、振动、切削刃的刃磨质量、工件材料组织的缺陷、切削液的使用情况等。在精加工时,非几何因素影响较小,可忽略不计,而几何因素是影响精加工表面粗糙度的主要因素。残留高度是指刀具两行间的残留量。在几何因素中,铣削残留高度决定了铣削表面粗糙度的大小。在精加工时,因此一般通过控制铣削残留高度的大小来控制表面粗糙度,从而控制零件表面加工质量。

3加工示例

本示例以简单的半球曲面精加工为例,如图2所示。刀具采用8球头铣刀,用残留高度控制刀具的进给路径,以达到在满足加工精度的前提下减小走刀路线。

3.1加工方法用三坐标机床加工曲面属于近似加工,常用的加工方法有等高线编程方法,而等高线加工存在加工路线长,空行程多,在停刀处有驻刀痕等问题。现在比较高效、高精度的数控走刀方式应该是螺旋式走刀方式[6],进行连续进给切削,同时控制三个坐标轴的运动,走刀和下刀同时进行,改变以往等高线加工下刀和走刀分开的现象,此时就不存在每一次走刀都需要切入和切出,浪费走刀路线的问题。本文探索采用连续进给加工。一种方法是数控系统具有的变径螺旋插补功能,另一种方法是采用极坐标连续进给的编程方法,本文对比两种方法,“自上而下”对半球进行连续加工。

3.2编程思路根据零件表面粗糙度Ra要求获得残留高度H值,然后计算刀具每绕着球面转一圈进给的角度θ,即步进角θ,使刀具沿着球面进行螺旋插补。

3.3加工程序方法一:采用极坐标连续进给的编程方法。将球心作为零件加工原点基于FANUC-0i数控系统进行程序编制,程序中各变量含义如表1所示。

3.4刀具路径轨迹采用数控仿真软模拟刀具路径轨迹及加工出的零件如下(为了刀路显示清楚,增大了步进角的刀路),说明编制的宏程序正确,可以实现循环,刀具路径轨迹如图3所示。方法二:采用数控系统具有变螺距螺旋插补功能,但在一个螺距内的半径必须保持不变,这样在改变半径时就会出现折线。

3.5结果分析本文探讨的连续进给编程路径连贯,不会出现陡然的转折,可有效保证零件的加工质量。并根据零件表面粗糙度要求计算步进角的大小,在满足零件的表面粗糙度要求的前提下刀路最短。

4结论

本文推导出球形曲面的残留高度公式,加工的残留高度受球头刀半径和每齿进给量和步进角影响。在刀具选定的条件下,选择合适步进角,节省走刀路线,减小数控系统的计算量,又能保证零件的加工质量在精度要求范围内,提高零件的加工效率具有重要的现实意义。为三坐标机床加工球形曲面的数控宏程序的设计提供编程方法和策略。对于曲率半径变化不大的曲面,可近似利用球形曲面的残留高度计算方法,在编制数控加工程序时,可采用用圆弧段逼近曲面形状,采用极坐标编程方法。因此该方法具有很好的推广价值。

作者:西庆坤 单位:四川工程职业技术学院 机电工程系

球形曲面的数控加工思考责任编辑:杨雪    阅读:人次