CNC磨削麻花鉆時(shí)機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)研究
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論文導(dǎo)讀：麻花鉆的容屑槽曲面及后刀面即使用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述都相當(dāng)復(fù)雜,而利用現(xiàn)有的商用設(shè)計(jì)軟件(如UG、Pro/E、CATIA等)對(duì)其進(jìn)行圖形描述則更為困難。因此,目前常用的CAD/CAM工程軟件并不適合對(duì)數(shù)控磨削加工此類刀具的機(jī)床作業(yè)進(jìn)行加工路徑生成和仿真模擬,也難以判定數(shù)控加工麻花鉆時(shí)的機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。(4)對(duì)于要求一次成形但不要求控制前角的異形回轉(zhuǎn)面螺旋刀刃(如球頭刀刃、弧形刀刃等)的加工,除滿足上述(3)的要求外,還必須增加圖1所示的Z向線位移,即通過四軸聯(lián)動(dòng)才能滿足加工要求,此時(shí)對(duì)容屑槽深度的變化和后角的控制要求并不十分嚴(yán)格。本文根據(jù)麻花鉆容屑槽螺旋面的成形原理,闡釋了麻花鉆磨削成形的過程;分析了砂輪平動(dòng)型CNC工具磨床和砂輪擺動(dòng)型CNC工具磨床的運(yùn)動(dòng)形式,并與傳統(tǒng)的工具磨床進(jìn)行了比較;給出了確定機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)目的幾何原則;同時(shí)說明,按此原則判定的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)并非就是機(jī)床加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軸數(shù),實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)還應(yīng)取決于機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式。
關(guān)鍵詞：CNC工具磨床，麻花鉆，容屑槽，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)
1 引言
麻花鉆的容屑槽曲面及后刀面即使用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述都相當(dāng)復(fù)雜,而利用現(xiàn)有的商用設(shè)計(jì)軟件(如UG、Pro/ E、CATIA等)對(duì)其進(jìn)行圖形描述則更為困難。因此,目前常用的CAD/ CAM工程軟件并不適合對(duì)數(shù)控磨削加工此類刀具的機(jī)床作業(yè)進(jìn)行加工路徑生成和仿真模擬,也難以判定數(shù)控加工麻花鉆時(shí)的機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。此外,NC工具磨床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的選取與工件和砂輪的幾何要素、加工工藝要求(如刀刃和刀槽分幾次成形、有無特殊工藝裝備等)以及機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式有關(guān)。本文研究數(shù)控加工時(shí)機(jī)床所用聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的意義在于:①運(yùn)動(dòng)軸數(shù)越少,相對(duì)運(yùn)動(dòng)副就越少,機(jī)床的運(yùn)動(dòng)剛性和運(yùn)動(dòng)精度也就越高;②減少運(yùn)動(dòng)軸數(shù)可簡(jiǎn)化編程,從而可在配置較低檔數(shù)控系統(tǒng)的工具磨床上實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的加工,以降低加工成本;③可為用戶根據(jù)自身產(chǎn)品進(jìn)行機(jī)床選型和設(shè)備投資提供可行性分析的技術(shù)依據(jù)。
2 CNC工具磨床的基本加工原理
從空間運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)來看,機(jī)械加工的過程實(shí)質(zhì)上就是控制每個(gè)瞬時(shí)刀具幾何體相對(duì)工件幾何體在空間的相對(duì)位姿和相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的過程[1]。圖1給出了錐形砂輪與麻花鉆作為工件之間的空間相對(duì)位置。
圖1 砂輪與工件的空間位置關(guān)系
選取砂輪大圓的圓心
和工件軸線上的一點(diǎn)
作為各自實(shí)體的參考點(diǎn),在點(diǎn)建立工件(指被加工刀具體,以下統(tǒng)稱工件)的刀刃曲線方程,
為刀刃曲線的參變量;在點(diǎn)建立砂輪的回轉(zhuǎn)面方程,
,
為砂輪表面的幾何參變量(也包括對(duì)砂輪大端面的描述)。當(dāng)用砂輪磨削工件刀刃時(shí),給出一定的約束條件
,
為約束條件數(shù)。則可建立如下方程組:
式中,約束條件式
是根據(jù)砂輪回轉(zhuǎn)面方程
與麻花鉆工件刀刃曲線方程
的共軛關(guān)系以及它們的幾何參數(shù)建立的,以上關(guān)系確定了與
參變量有關(guān)的砂輪與麻花鉆工件的相對(duì)位置(位姿)。然后根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式,即可得到反映砂輪與麻花鉆工件相對(duì)自由度變化的機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù),多軸聯(lián)動(dòng)工具磨床就是根據(jù)這個(gè)理論依據(jù)設(shè)計(jì)的。論文參考。
3 常用CNC工具磨床的類型
盡管多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控工具磨床的結(jié)構(gòu)型式各不相同,但拋開其復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu),僅考慮砂輪與工件之間的相對(duì)位置變化,則多軸工具磨床一般可分為兩種類型:
圖2 平動(dòng)型CNC工具磨床結(jié)構(gòu)模型
(1)砂輪平動(dòng)型CNC多聯(lián)動(dòng)工具磨床，此類工具磨床包括3個(gè)平動(dòng)軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(見圖2),除了保證工件繞自身軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外,它們可根據(jù)用戶的需要任意組合成各種聯(lián)動(dòng)方式。
圖3 擺動(dòng)型CNC工具磨床結(jié)構(gòu)模型
(2) 砂輪擺動(dòng)型CNC多聯(lián)動(dòng)工具磨床此類工具磨床也有3個(gè)平動(dòng)軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(見圖3),工件仍然是繞自身軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),但它的砂輪可作擺動(dòng)。此類工具磨床也可根據(jù)不同的加工要求任意組合聯(lián)動(dòng)方式。與傳統(tǒng)的搖臂類工具磨床相比,多軸聯(lián)動(dòng)工具磨床的傳動(dòng)鏈較短,結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,取消了特殊工裝等復(fù)雜的機(jī)械裝置;與傳統(tǒng)工具磨床采用懸臂式磨頭箱相比,CNC工具磨床的磨頭采用剛性支撐,其靜、動(dòng)態(tài)剛度提高,加工能力、加工范圍和靈活性增強(qiáng),機(jī)床調(diào)整更為簡(jiǎn)單,可通過數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“軟調(diào)整”。盡管砂輪平動(dòng)型和擺動(dòng)型CNC工具磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)不同,但利用其柔性控制功能可以模擬傳統(tǒng)工具磨床的一般復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。從理論上說,只要保證數(shù)控加工中每個(gè)瞬時(shí)砂輪相對(duì)工件的位姿和相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)滿足方程式(1),即可加工出相同的刀刃曲線和容屑槽曲面�！�
4 CNC機(jī)床加工麻花鉆所需聯(lián)動(dòng)軸數(shù)目的確定
在用盤形砂輪(碟形、碗形、平行砂輪或盤狀成形砂輪)磨削加工麻花鉆時(shí),通常采用砂輪的一個(gè)端面圓或大圓(碟形、碗形砂輪) 來磨削前刀面槽形,采用砂輪的錐面或外圓柱面來磨削刀具的后刀面,或者采用成形砂輪的表面廓形來包絡(luò)生成整個(gè)螺旋槽面[2]。下面根據(jù)幾何學(xué)原理來討論選取最少聯(lián)動(dòng)軸數(shù)的判定原則。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的螺旋刀刃曲線方程: 
,可作如下分析:
(1)當(dāng)
時(shí),工件的刀刃為平面曲線,刀槽為直槽,加工時(shí)不需要角運(yùn)動(dòng)(圖1所示的運(yùn)動(dòng)參數(shù)A,C)參與聯(lián)動(dòng)即可成形。如果
也為常數(shù),采用沿工件軸線(X軸)方向的單軸加工即可;如果是變化的(如錐度直槽、異形直槽等),加工中砂輪相對(duì)工件需作沿其軸線和徑向的直線運(yùn)動(dòng),即機(jī)床需要有X、Z兩個(gè)方向直線運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)功能。為了減少機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù),可對(duì)此類工件的加工配置特殊工裝(工件傾斜、采用輔助靠模等),以實(shí)現(xiàn)砂輪相對(duì)工件徑向的距離變化,加工中仍然采用沿工件軸線X方向的單軸加工方式。
(2)當(dāng)θ變化時(shí), 工件回轉(zhuǎn)面為直紋面(如柱面、錐面等),其上各點(diǎn)的法線方向與工件軸心線的夾角為定值。通過機(jī)床軸的旋轉(zhuǎn)(或利用特殊工裝),總能使工件的槽底母線平行于刀具的單軸進(jìn)給方向,從而具有如圖1所示的A、X兩軸聯(lián)動(dòng),即工件相對(duì)于砂輪作繞自身軸線的角運(yùn)動(dòng)和沿自身母線方向的直線運(yùn)動(dòng),即可加工出所需的螺旋槽面。對(duì)于錐度刀具的加工,這種方法僅適合小錐度(或螺旋槽非一次成形)的情況。然而在實(shí)際加工中,由于砂輪不斷被磨損,為了保證工件的磨削精度,砂輪的回轉(zhuǎn)軸心線至工件軸心線(兩異面直線)的距離以及它們之間的夾角需要不斷調(diào)整,砂輪廓形也要發(fā)生相應(yīng)的修整變化,且制造商不會(huì)局限于僅生產(chǎn)一種產(chǎn)品,因此機(jī)床還應(yīng)具有如圖1所示的d1、d2、d3和工件軸線的手動(dòng)調(diào)整功能。
(3)當(dāng)θ變化時(shí),對(duì)于大錐度螺旋刀具、刀具螺旋槽要求一次成形或要求前角可控(前角的變化與圖1中砂輪相對(duì)工件的Y向距離有關(guān))的情況,除了需要角位移A和線位移X 聯(lián)動(dòng)以外,另一個(gè)角位移——砂輪回轉(zhuǎn)軸心線與工件回轉(zhuǎn)軸心線的夾角
也要發(fā)生實(shí)時(shí)變化,才能保證刃帶寬度或控制前角不發(fā)生干涉,因此機(jī)床需要有三軸聯(lián)動(dòng)功能。論文參考。
(4)對(duì)于要求一次成形但不要求控制前角的異形回轉(zhuǎn)面螺旋刀刃(如球頭刀刃、弧形刀刃等) 的加工,除滿足上述(3)的要求外,還必須增加圖1所示的Z向線位移,即通過四軸聯(lián)動(dòng)才能滿足加工要求,此時(shí)對(duì)容屑槽深度的變化和后角的控制要求并不十分嚴(yán)格。
(5)對(duì)于要求一次成形且前角可控的異形回轉(zhuǎn)面螺旋刀刃的加工,需要利用Y向線位移來調(diào)整刀刃前角的大小,因此除滿足上述。(4)的要求外,還有必要增加如圖1 所示的Y 向線位移,即采用五軸聯(lián)動(dòng)才能滿足加工要求。為了保證砂輪與工件在加工中的相對(duì)位姿要求,不同結(jié)構(gòu)型式機(jī)床的砂輪和工件會(huì)有不同的運(yùn)動(dòng)方式,即在將工件坐標(biāo)系中的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí),機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式起著非常關(guān)鍵的作用。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中應(yīng)注意,不同結(jié)構(gòu)型式的機(jī)床需要采用的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)也不同,根據(jù)幾何學(xué)原理判定的最少聯(lián)動(dòng)軸數(shù)不一定就是機(jī)床加工時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軸數(shù)。論文參考。在圖3所示的砂輪擺動(dòng)型工具磨床上加工螺旋角為β的一般圓柱螺旋線時(shí),僅需將工件軸A繞擺動(dòng)中心逆時(shí)針擺動(dòng)≥90°-β,并給定兩異面直線(砂輪軸心線和工件軸心線)的距離,即在加工中需要機(jī)床的B和Y兩軸聯(lián)動(dòng)。在圖2所示的砂輪平動(dòng)型工具磨床上加工螺旋角為β的一般圓柱螺旋槽時(shí),需首先根據(jù)工件旋向?qū)軸調(diào)整到要求的位置,并保證X軸方向的移動(dòng)量ΔX和Y軸方向的移動(dòng)量ΔY始終滿足ΔY/ΔX =tanβ的關(guān)系,以保證砂輪相對(duì)工件軸心線的空間位置保持不變,再加上工件的自轉(zhuǎn)A ,即加工時(shí)需要機(jī)床的X 、Y、A三軸聯(lián)動(dòng)。如果為加工此類刀具而專門改變機(jī)床結(jié)構(gòu),將X 軸移動(dòng)副導(dǎo)軌置于C軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)之上,則在加工一般圓柱螺旋槽時(shí),C軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)過β后,僅需提供X和A兩軸聯(lián)動(dòng)即可達(dá)到加工要求。因此,在進(jìn)行機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮被加工對(duì)象的幾何特征。
5 結(jié)語
本文根據(jù)麻花鉆容屑槽螺旋面的成形原理,闡釋了麻花鉆磨削成形的過程;分析了砂輪平動(dòng)型CNC工具磨床和砂輪擺動(dòng)型CNC工具磨床的運(yùn)動(dòng)形式,并與傳統(tǒng)的工具磨床進(jìn)行了比較;給出了確定機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)目的幾何原則;同時(shí)說明,按此原則判定的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)并非就是機(jī)床加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軸數(shù),實(shí)際需要的運(yùn)動(dòng)軸數(shù)還應(yīng)取決于機(jī)床的結(jié)構(gòu)型式。
參考文獻(xiàn)
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