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        基于數(shù)控仿真軟件的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿數(shù)控加工研究

        2015-12-06 07:19:26鄔宗鵬
        關(guān)鍵詞:數(shù)控車床深度模型

        鄔宗鵬,楊 中

        (1.安徽工業(yè)大學(xué)工程實踐與創(chuàng)新教育中心,安徽,馬鞍山 243002;2. 南京大全電氣研究院有限公司,江蘇,南京 210000)

        0 引言

        平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副作為一種可靠的傳動形式,具有多齒嚙合、瞬時雙線接觸等特征,因此具有承載能力強、傳動效率高、使用壽命長等優(yōu)點,目前被廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域[1]。近年來對環(huán)面蝸桿傳動的研究以及應(yīng)用都取得了很大成果[2]。但由于平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿復(fù)雜的齒面結(jié)構(gòu),其加工仍然是一大難題,國內(nèi)的研究者們對此也展開了一定的研究[3-4]。

        在現(xiàn)有加工工藝和數(shù)控加工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,本文通過分析齒面點位并計算理論切削深度,結(jié)合數(shù)控車削加工編程原理,編制了數(shù)控加工程序。通過數(shù)控仿真和實體加工,解決了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的數(shù)控車削加工問題,提高了加工效率。

        1 環(huán)面蝸桿普通數(shù)控車床加工編程原理

        1.1 齒面點位分析

        環(huán)面蝸桿編程原理的核心是分析出螺旋線上各點的點位規(guī)律,從而利用螺紋加工指令來編制程序[5]。利用兩軸普通數(shù)控車床加工時,車刀只能在X-Z方向做平面直線運動,并利用多段直線擬合做圓弧運動。編程時需要計算出每段直線的起刀點,并找出環(huán)面蝸桿齒面螺旋線在X-Z平面內(nèi)的成型規(guī)律[6]。

        如圖1所示,刀具在齒面上任意位置的刀位點與切深的關(guān)系為[7]:

        其中,m—任意切深到分度圓的距離,mm;

        α—環(huán)面蝸桿齒形角,o;

        φ—齒輪中心與分度圓和齒面交點連線的水平夾角,o。

        所以,蝸桿齒面上任意一點在加工時的坐標(biāo)可表示為:

        其中, a0—起刀點X方向坐標(biāo),mm;

        z0—起刀點Z方向坐標(biāo),mm;

        R—與蝸桿相嚙合的假想蝸輪分度圓半徑,mm。

        圖1 刀位點與切深的關(guān)系Fig.1 Relations with the knife cut deep sites

        宏程序能實現(xiàn)使用簡單的程序代碼完成復(fù)雜零件加工程序的編制[8]。因此根據(jù)刀位點與切深關(guān)系,結(jié)合數(shù)控車削螺紋編程方法,利用宏程序編程便可以編制出環(huán)面蝸桿普通車床加工程序。圖2為編程原理流程圖。

        圖2 環(huán)面蝸桿編程原理流程圖Fig. 2 Flowchart of worm programming principles

        1.2 切削深度計算

        本文通過理論分析計算對數(shù)控車削加工中切削深度進(jìn)行選擇。如圖3所示,每刀切削深度為pa,由于刀具的形狀和蝸桿齒面形狀,決定了在切削中會產(chǎn)生圖中陰影部分直角三角區(qū)域的殘余高度。

        圖3 車削表面殘余面積示意圖Fig. 3 The diagram of the residual area for the turning surface

        為了達(dá)到蝸桿齒面表面粗糙度的要求,可以通過理論計算初步確定每刀切削深度pa的大小。表面粗糙度Ra為在取樣長度 L內(nèi),輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值如圖4所示。對應(yīng)于蝸桿加工的表面粗糙度Ra/μm:

        其中,L—蝸桿齒側(cè)長度,mm;

        x—L內(nèi)的任意取值,mm;

        f(x)—輪廓偏距絕對值,mm。

        圖4 粗糙度理論計算原理圖Fig. 4 The diagram of the roughness theoretical calculations

        其中,pa—切削深度,mm;

        α—環(huán)面蝸桿齒形角,o。

        將式(4)、(5)代入式(3)得:

        加工齒形角為 α = 2 0o平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿,為了達(dá)到蝸桿齒面表面粗糙度為3.2 μm的要求,根據(jù)式(6)得切削深度 ap/mm:

        由上述計算可知,每刀切削深度在取0.0094 mm時可以保證加工表面粗糙度為3.2 μm。在實際加工中,工件的表面粗糙度還會受到機床、刀具等多種外部因素的影響,為了在保證加工表面粗糙度的同時實現(xiàn)加工效率最優(yōu),選用0.009 mm的切削深度進(jìn)行加工。

        2 數(shù)控加工仿真

        2.1 加工仿真基礎(chǔ)設(shè)置

        在VERICUT中新建文件, VERICUT的機床庫中提供了很多種的控制系統(tǒng)文件,針對不同的加工環(huán)境進(jìn)行選擇[9]。在本文中選擇使用fan10t.ctl控制系統(tǒng)文件。機床的各軸以及其運動方式都要在部件樹中進(jìn)行定義,對于兩軸車床來說,部件按照Base(床身)>Spindle(主軸)>Fixture(夾具)>Stock(毛坯)>Design的順序進(jìn)行定義[10],建立項目樹。

        在機床文件保存好之后,可以構(gòu)建需要加工的毛坯模型以及刀具模型。對于環(huán)面蝸桿,采用圓柱形毛坯,在“stock”的模型下添加圓柱模型,按需要設(shè)定圓柱體的半徑和高度,并根據(jù)坐標(biāo)關(guān)聯(lián)到三爪卡盤上。

        在VERICUT里有多種不同的刀具庫,同時也可以根據(jù)需要建立專用的刀具庫,通過對蝸桿尺寸的計算,本文選擇刀寬尺寸為4 mm的切槽刀。

        2.2 數(shù)控加工仿真

        在上述工作都完成之后,將編制好的數(shù)控程序添加到VERICUT中,點擊重置模型進(jìn)行仿真,如圖5所示。在仿真過程中,VERICUT會對加工過程中的有無碰撞干涉問題進(jìn)行檢測。環(huán)模蝸桿的仿真模型如圖6所示。

        圖5 零件及機床仿真模型Fig.5 The parts and machine simulation model

        加工仿真完成之后,可以將VERICUT中最終的切削模型導(dǎo)出到三維模型軟件中,與原先建立的理論三維模型進(jìn)行比較,以驗證程序加工仿真的正確性和精確度。

        圖6 環(huán)模蝸桿的仿真模型Fig.6 The simulation model of worm

        最后,在CAK4085di型數(shù)控車床上實際加工出了平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿,如圖7所示,驗證了NC程序的正確性以及加工方法的可行性。

        圖7 環(huán)面蝸桿加工成品圖Fig.7 Worm finished map

        3 結(jié)論

        仿真直觀的表達(dá)了環(huán)面蝸桿的數(shù)控加工過程,其結(jié)果也符合加工預(yù)期效果,結(jié)合實際加工結(jié)果也驗證了該方法的正確性和可行性。綜上所述,本文所描述方法能實現(xiàn)利用普通數(shù)控車床完成對平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿的加工,且加工質(zhì)量滿足精確度要求,同時提高了加工效率,為車削加工環(huán)面蝸桿提供了新的思路和方法。

        [1] 王永鑫.平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副數(shù)控加工的編程與仿真技術(shù)研究[D].湘潭:湘潭大學(xué),2011.

        [2] 黃安貽,夏江敬,張仲甫.平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿嚙合齒面的結(jié)構(gòu)特性及其應(yīng)用[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版, 2003, 25(2):67-70.

        [3] 時禮平,吳玉國,李曉賓.平面二次包絡(luò)環(huán)面蝸桿副的數(shù)控加工[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù), 2008 (11):90-92.

        [4] 黃安貽,張仲甫. 基于 AutoCAD2000的平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿三維實體建模與虛擬加工技術(shù)研究[J]. 機械設(shè)計與制造, 2003,6(3):25-26.

        [5] S.K.Sinha. FANUC數(shù)控宏程序編程技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

        [6] 董學(xué)朱.環(huán)面蝸桿傳動設(shè)計和修形[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

        [7] 李松.運用宏程序在普通數(shù)控車床上實現(xiàn)環(huán)面蝸桿的車削[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011,10(24):94-95.

        [8] 劉朝輝,張為民,董新峰,等. 數(shù)控機床多方案切削試驗宏程序構(gòu)建研究[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2014, 35(3):13-16.

        [9] 王雷,凌雪.基于VERICUT的XH714加工中心仿真[J].井岡山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2011, 32(5):92-95.

        [10] 楊勝群.VERICUT數(shù)控加工仿真技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

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