夏文勝，周兆鋒，成 崗，何 林

(1.鹽城工學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，江蘇 鹽城 224051;2.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

在航天、航空、汽車、造船等生產(chǎn)制造領(lǐng)域，葉片螺旋槳、外覆蓋件模具、內(nèi)飾件的注塑模具等具有自由曲面的輪廓零件，它們的應(yīng)用越來越廣泛，自由曲面的加工工具及技術(shù)顯得非常重要。自由曲面數(shù)控加工除了要求刀具具備高強度、高剛度、高耐用度、高精度與良好的切屑性能外，還要保證有良好的刀位計算功能，便于生成簡潔有效、穩(wěn)定連續(xù)的刀具軌跡。目前加工曲面的主要刀具是球頭立銑刀。

球頭立銑刀在自由曲面的數(shù)控加工中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在三坐標(biāo)端銑數(shù)控加工自由曲面的應(yīng)用最為廣泛。由于這種刀具刃形復(fù)雜，磨削和制造困難，并且球頭部分切削條件惡劣，刀具承受的軸向力較大，在實際加工過程中極易發(fā)生磨損。

目前國內(nèi)很多專家學(xué)者，對S型球頭立銑刀的加工機理和數(shù)學(xué)模型做了很多的工作，但是這些工作都是基于理想的、沒有任何偏差的前提下實現(xiàn)的。而在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，存在著許多不可避免的偏差。因此有必要對球頭立銑刀的制造過程進(jìn)行誤差分析，用以提高球頭立銑刀的加工精度，降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。本文擬基于建立的球頭立銑刀加工模型，建立球頭立銑刀的仿真磨削加工系統(tǒng)，開展有關(guān)分析研究，為制定球頭立銑刀制造工藝提供依據(jù)。

1 球頭立銑刀磨削加工仿真

本文進(jìn)一步分析研究球頭立銑刀的加工理論和方法，基于提出的球頭立銑刀前刀面造型方法，在SolidWorks操作平臺上，借助Visual Basic進(jìn)行二次開發(fā)，建立了一套球頭立銑刀前后刀面的虛擬磨削制造系統(tǒng)。使用本系統(tǒng)，仿真精度高，設(shè)計周期短，勞動強度低，極大程度提高了銑刀設(shè)計的效率和質(zhì)量。該技術(shù)的研究不僅能推動先進(jìn)設(shè)計方法在刀具設(shè)計過程中的應(yīng)用，同時能夠加快后續(xù)刀具(如錐柄球頭立銑刀)的加工技術(shù)和刀具數(shù)字化制造技術(shù)的一體化發(fā)展進(jìn)程。

1.1 磨削加工仿真原理

刀具前刀面磨削加工過程的仿真利用Solid-Works軟件的布爾運算來實現(xiàn)。首先用VB語言對銑刀和砂輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，以便實時調(diào)用，或者在磨削過程中先直接生成零件實體。然后根據(jù)球頭立銑刀磨削加工原理和運動關(guān)系計算砂輪的刀位數(shù)據(jù)，使被加工的球頭立銑刀實體與此位置的砂輪做布爾差運算，實現(xiàn)砂輪對銑刀毛坯的切除加工，刀具的三維模型隨著布爾差運算的過程獲得持續(xù)更新，從而形成球頭立銑刀的球刃前刀面和周刃前刀面。

1.2 球頭立銑刀前刀面磨削仿真加工

球頭立銑刀磨削仿真與分析系統(tǒng)的界面如圖1所示。軟件選用的球頭立銑刀與砂輪的參數(shù)均為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參數(shù)，用戶可直接選取;用戶也可根據(jù)需要直接在界面上修改，然后重新生成零件毛皮實體。本系統(tǒng)采用在磨削程序中直接生成零件實體來加工。

圖1 球頭立銑刀磨削仿真分析系統(tǒng)界面

按照球頭立銑刀前刀面形成原理和運動關(guān)系，參照圖1界面選定的設(shè)定參數(shù)，編制出球頭立銑刀磨削仿真加工程序。點擊圖1中“前刀面磨削仿真”按鈕，前刀面磨削加工仿真結(jié)果如圖2所示。從仿真結(jié)果可以看出:我們提出的球頭立銑刀運動關(guān)系模型的球刃為S形弧形刃，S形過銑刀軸心(球頭頂部)、幅度較大、弧形較好、刃形曲線較為理想;球頭立銑刀球刃和周刃在球頭和圓柱結(jié)合處能實現(xiàn)光滑連接。

圖2 前刀面磨削仿真結(jié)果

2 砂輪磨損對球頭立銑刀制造誤差的影響

球頭立銑刀磨削制造的關(guān)鍵技術(shù)在于具有合理刃形曲線和幾何參數(shù)分布的前刀面加工。一般認(rèn)為球頭立銑刀的切削性能與S形球刃密切相關(guān)，較好的S形刃和合理的幾何參數(shù)分布是球頭立銑刀具有良好切削性能的保證，如何獲得較為合理的幾何參數(shù)分布是球頭立銑刀制造技術(shù)的關(guān)鍵。

在球頭立銑刀的實際磨削制造過程中，砂輪會隨著磨削時間的增加而出現(xiàn)磨損，球頭立銑刀的刃形曲線和前刀面的結(jié)構(gòu)也會隨之發(fā)生變化。分析砂輪磨損引起的誤差可為實際加工過程提供理論指導(dǎo)，有助于制定正確的磨削制造工藝。

2.1 砂輪磨損對刃帶寬度的影響

選取砂輪姿態(tài) Σ1=32°、Σ2=0°時，分別磨削加工球頭直徑為10mm、16mm的球頭立銑刀，分析砂輪直徑的變化對銑刀最大刃帶寬度的影響。不同直徑的砂輪磨削球頭立銑刀，刃帶最大寬度的變化如圖3與圖4所示。

圖3 砂輪磨損對10mm球頭銑刀刃帶寬度的影響

圖4 砂輪磨損對16mm球頭銑刀刃帶寬度的影響

根據(jù)圖上的變化趨勢可以看出，刃帶最大寬度隨砂輪直徑的磨損而逐步減小;直徑較大的球頭立銑刀比直徑較小的球頭立銑刀刃帶最大寬度明顯要大;直徑較大的球頭立銑刀，砂輪磨損對刃帶最大寬度的影響幅度也相對較大，但不大于0.002mm。

2.2 砂輪磨損對刃形曲線的影響

選取 Σ1=32°、Σ2=0°、半徑為75mm 的砂輪，用來磨削加工球頭立銑刀，以所得到的球刃刃形為參考，考察當(dāng)砂輪半徑磨損到73mm時所得到的刃形曲線，分析兩者存在的誤差。分析誤差的方法是在銑刀球頭部分作垂直于X軸的截面(如圖5所示)，該截面與刃形曲線相交，測量兩交點之間的位移量。

圖5 誤差分析截面

在圖5中分別取9個截面，分別加工球頭半徑為5mm和8mm的球頭立銑刀，表1是球刃誤差的分析結(jié)果。

根據(jù)測量結(jié)果可以得到如下結(jié)論:

(1)同一直徑的銑刀，從球刃頂部開始，誤差相對較小，越靠近周刃部分，誤差相對越大;

(2)隨著銑刀直徑的增大，同一位置截面上的誤差也增大;

(3)在銑刀球頭頂部，即在X軸的坐標(biāo)為0.5mm與1mm位置處，刃形曲線的誤差較大，刃形曲線的曲率變動也較大。

表1 砂輪磨損對球刃誤差影響

3 結(jié)論

(1)基于球頭立銑刀前刀面磨削加工的運動關(guān)系開發(fā)出的球頭立銑刀磨削仿真加工系統(tǒng)，可用于前刀面磨削仿真加工。仿真加工表明，球刃為S形弧形刃，刃形曲線較理想;球刃前刀面刃口處存在很窄的刃帶，在球刃中部區(qū)域刃帶寬度最大;前刀面在球頭和圓柱結(jié)合處能實現(xiàn)光滑連接。

(2)砂輪磨損造成的制造誤差分析表明:刃帶的最大寬度隨砂輪半徑的磨損而減小，遞減比較有規(guī)律，半徑8mm的銑刀比起半徑5mm的銑刀，遞減幅度要大;相同半徑的銑刀，靠近球刃頂部的球刃曲線，誤差相對較大，刃形曲線的曲率變動較大，而靠近周刃部分的球刃曲線，誤差相對較小;隨著銑刀半徑的增大，同一位置截面上的誤差也越來越大。這些誤差分析結(jié)論有助于制定球頭立銑刀制造工藝及誤差補償策略。

(3)利用仿真結(jié)果編制的數(shù)控加工程序在與企業(yè)聯(lián)合研制的設(shè)備上的執(zhí)行結(jié)果表明，所提出的球頭立銑刀磨削加工運動關(guān)系是完全正確的，研制的球頭立銑刀的數(shù)控磨削制造設(shè)備完全能夠?qū)崿F(xiàn)球頭立銑刀的磨削制造。

［1］任秉銀，唐余勇.數(shù)控加工中的幾何建模理論及其應(yīng)用［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［2］曲坤，唐余勇.新型刃口的錐球頭銑刀的虛擬制造模型研究［J］.黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2005，22(6):369－372.

［3］何彪，等.新型球頭立銑刀刃磨加工研究［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004，33(5):96 －98.

［4］陳逢軍.基于五軸數(shù)控磨床加工的球頭立銑刀數(shù)學(xué)模型及仿真研究［D］.湖南:湖南大學(xué)，2006.

［5］沈謙，王珉.球頭模具銑刀刀刃和前刀面的研究［J］.航空學(xué)報，1994，15(8):943 －949.

［6］夏文勝，等.砂輪姿態(tài)對錐度球頭立銑刀前角的影響研究［J］.煤礦機械，2011，32(4):117－179.

［7］夏文勝，等.砂輪磨損對錐度球頭立銑刀前角的影響研究［J］.機械設(shè)計與制造，2011(7):228－230.

［8］李帥.新型球頭立銑刀前刀面刃磨仿真研究［D］.貴州大學(xué)，2008.

［9］孫立明.球頭立銑刀磨削仿真加工前刀面的誤差分析補償研究［D］.貴州大學(xué)，2009.

［10］夏文勝.新型錐度球頭立銑刀仿真磨削加工研究［D］.貴州大學(xué)，2009.