周立波，吳　昊

(上海工程技術(shù)大學(xué) 高職學(xué)院，上海　200437)

內(nèi)球面多軸銑削加工工藝的研究

周立波，吳昊

(上海工程技術(shù)大學(xué) 高職學(xué)院，上海200437)

摘要：以內(nèi)球面為研究對(duì)象，分析研究了不同的加工方法對(duì)零件加工質(zhì)量和加工效率的影響：車削加工多用于非偏心工件；用立銑刀三軸加工表面質(zhì)量相對(duì)較差，并且無(wú)法完成內(nèi)球面底部區(qū)域的加工；選用比被加工球面直徑小的球刀，則需多刀次環(huán)切加工，環(huán)切數(shù)夠多才能保證表面粗糙度；選用與被加工球面相同直徑的球刀加工，加工效率高，但若球面尺寸變化，需準(zhǔn)備多種尺寸刀具，增加了成本；而采用五軸數(shù)控機(jī)床加工內(nèi)球面可以解決以上傳統(tǒng)加工工藝的缺點(diǎn)，可采用立銑刀傾斜主軸法加工。結(jié)合CAD/CAM軟件UG NX8.5，闡述了內(nèi)球面的五軸數(shù)控編程及仿真加工過(guò)程，并進(jìn)行實(shí)際加工，加工質(zhì)量達(dá)到精度要求。

關(guān)鍵詞：內(nèi)球面；加工工藝；五軸加工

0引言

在機(jī)械設(shè)備的零件當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)有內(nèi)球面和內(nèi)圓弧面形狀的零件[1]。內(nèi)球面是一種常見的工作表面，主要用于有空間回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要求的聯(lián)接表面，廣泛應(yīng)用于閥門(球閥)、推力球軸承等零件，如圖1所示為內(nèi)球面零件圖。這些零件的圓弧形狀在普通機(jī)床上加工時(shí)，不采用特殊專用的工藝裝備加工是極為困難的。傳統(tǒng)加工工藝多用成形法(球刀銑削)或數(shù)控車削加工[2]，也可以采用三軸數(shù)控銑削加工[3-7](采用立銑刀和球頭銑刀分別進(jìn)行粗精加工)，對(duì)于精度要求較高的還需要進(jìn)行磨削加工，受成形刀具影響，制造精度低，刀具要求高，在實(shí)際生產(chǎn)中具有較大的局限性。如能提高球面的精加工效率，將能有效改善經(jīng)濟(jì)效益。為此，如何通過(guò)新的加工方法來(lái)提高球面加工質(zhì)量已成為當(dāng)務(wù)之急。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，多軸數(shù)控機(jī)床已能完成球面銑削加工[1]，并較好克服傳統(tǒng)加工方法的缺點(diǎn)。本文正是基于五軸數(shù)控技術(shù)進(jìn)行球面精密加工的研究，借此突破球面加工的瓶頸，提高加工精度和加工效率。

圖1　內(nèi)球面零件圖

1內(nèi)球面形成的基本原理

由球面的幾何性質(zhì)可知，任一平面截得球面的截痕都為圓，其圓心是球心在該截平面上的投影，截面上任一點(diǎn)到球心的距離為常數(shù)，即球面半徑。因此，在銑削過(guò)程中，主運(yùn)動(dòng)由銑床主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)提供，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由工件繞自身軸線的回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。銑刀刀尖位于所求的截圓上，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)刀尖運(yùn)動(dòng)的軌跡形成內(nèi)球面上的截圓，主軸回轉(zhuǎn)軸線過(guò)截圓圓心且與工件回轉(zhuǎn)軸線交于內(nèi)球面的球心，從而形成所要求的內(nèi)球面[1]。

2內(nèi)球面常用的加工方法比較及分析

2.1數(shù)控車削加工

內(nèi)球面的加工方法一般為車成形[1]后，與軸承配磨，保證裝配間隙。但數(shù)控車削加工內(nèi)球面的局限性在于加工偏工件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離心力，帶來(lái)震動(dòng)。所以多用于非偏心工件。

2.2磨削加工

磨削加工成本高，對(duì)精度要求不高的零件經(jīng)濟(jì)性不佳，工件的精度受到砂輪精度的影響。

2.3三軸銑削加工

如圖2所示，加工凹球面的刀具一般選用立銑刀或球頭銑刀[3]。

(a)采用立銑刀(b)采用球頭銑刀

圖2立銑刀和球頭刀加工凹球面的刀具軌跡

用立銑刀加工凹球面和用球頭銑刀加工凹球面相比，雖然加工效率較高，但加工表面質(zhì)量相對(duì)較差，并且無(wú)法完成凹球面底部區(qū)域的加工。凹球面粗加工可以使用立銑刀以提高加工效率，而精加工使用球頭銑刀以保證表面加工質(zhì)量。

2.4加工方法比較分析

相同材質(zhì)的球頭刀成本較鍵槽銑刀高。如果選用與被加工球面相同直徑的球刀加工，雖然能夠做到一刀成形，加工效率高，但一把刀具只能加工一個(gè)尺寸的球面，如果球面尺寸變化，需要更換刀具，增加了成本。如果選用比被加工球面直徑小的球刀，則需多刀次環(huán)切加工，環(huán)切數(shù)夠多才能保證表面粗糙度。而五軸數(shù)控機(jī)床加工內(nèi)球面可以解決以上傳統(tǒng)加工工藝的缺點(diǎn)。

內(nèi)球面可采用傾斜主軸和傾斜工件2種方法銑削。由于用傾斜工件法加工時(shí)工藝裝備較為復(fù)雜，故生產(chǎn)中多采用傾斜主軸法加工。對(duì)于較大半徑的內(nèi)球面內(nèi)可采用盤銑刀銑削，一般則可以用立銑刀或鏜刀進(jìn)行加工。

3內(nèi)球面五軸加工原理

球的任何截面都是圓。如果截面距離相等，則所截得的圓直徑相等。如果使一把鍵槽銑刀的底刃圓與被加工球面的某一截面圓重合，并使刀軸繞球心旋轉(zhuǎn)一周，就能加工出所需的球面(部分球面)。如圖3所示為五軸加工示意圖。

圖3　五軸加工示意圖

從上圖可知：

①當(dāng)?shù)毒咧睆降扔诒患庸で蛎娴闹睆綍r(shí)，只需一刀，即可完成半個(gè)球面的加工。

②當(dāng)?shù)毒叩闹睆叫∮诒患庸で蛎娴闹睆綍r(shí)，需要多次完成半個(gè)球面的加工，但不建議使用小于球面直徑太多的刀具來(lái)加工，因?yàn)檫@樣會(huì)增加走刀次數(shù)，產(chǎn)生更多的加工誤差，而且會(huì)產(chǎn)生較大的刀軸擺動(dòng)幅度。如果在搖籃式五軸加工中心上加工，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的擺動(dòng)幅度，導(dǎo)致干涉或行程不足的現(xiàn)象。

③當(dāng)?shù)毒咧睆酱笥诒患庸で蛎娴闹睆綍r(shí)，則無(wú)法完成球面加工。

綜上所述，在運(yùn)用該工藝加工內(nèi)球面時(shí)，應(yīng)在允許的情況下，根據(jù)被加工球面的直徑來(lái)選取合理的刀具。如圖3所示的工件內(nèi)球面的直徑為25mm，如采用直徑為10mm的銑刀需要加工2次即可。

4零件加工工藝設(shè)計(jì)及零件的加工

4.1粗加工工藝設(shè)計(jì)

對(duì)于直徑較小的球面可以先用適當(dāng)尺寸的鉆頭進(jìn)行預(yù)鉆孔，然后直接進(jìn)行精加工。對(duì)于直徑較大的球面可以先采用型腔銑CAVITY-MILL進(jìn)行粗銑，然后采用五軸機(jī)床進(jìn)行精加工。如圖4所示為粗加工刀具軌跡示意圖。

圖4　粗加工刀具軌跡示意圖

4.2精加工工藝設(shè)計(jì)

精加工是采用多軸加工的方式進(jìn)行的。多軸編程是通過(guò)驅(qū)動(dòng)曲面或驅(qū)動(dòng)曲線按照一定的方法策略產(chǎn)生相應(yīng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，然后把驅(qū)動(dòng)點(diǎn)按照相關(guān)的投影方法投影到被加工的工件表面，再按照規(guī)則來(lái)生成刀具路徑的[8-10]。

多軸加工的關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)方式和刀軸的設(shè)置，如何在保證加工質(zhì)量的前提下，減少走刀次數(shù)，提高加工效率，先生成驅(qū)動(dòng)曲線。

通過(guò)回轉(zhuǎn)的方式，生成兩曲面。具體操作步驟如圖5～圖6所示。如圖5所示中加粗線為回轉(zhuǎn)的截面線，旋轉(zhuǎn)中心軸為豎直的Z軸，旋轉(zhuǎn)生成的面如圖6所示。

圖5　回轉(zhuǎn)的截面線

圖6　旋轉(zhuǎn)生成的面

精加工的工藝設(shè)置如下：

(1)在球面截面上用草圖功能繪制出刀具的刀軸姿態(tài)，如圖3所示。

(2)“驅(qū)動(dòng)方式”設(shè)為“曲線/點(diǎn)”，兩個(gè)工序分別選擇如圖7所示的線a和線b。

圖7　驅(qū)動(dòng)方式選擇的曲線

(3)“刀軸”設(shè)為“朝向點(diǎn)”，選擇球的中心。

(4)完成其它切削參數(shù)(如切削步長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等)設(shè)置后，生成刀路如圖8所示。

圖8　精加工刀具軌跡

4.3其它均布球面刀軌的生成

選中剛創(chuàng)建的兩個(gè)精加工程序，右擊，在彈出的快捷菜單中選擇【對(duì)象】命令中的【變換】命令后，彈出“變換”對(duì)話框，設(shè)置“繞直線旋轉(zhuǎn)”選項(xiàng)，旋轉(zhuǎn)軸設(shè)置為產(chǎn)品回轉(zhuǎn)軸。其它參數(shù)如圖9“變換”對(duì)話框設(shè)置即可。

圖9　“變換”對(duì)話框

4.4程序生成

選擇加工程序，點(diǎn)擊工具條的后處理圖標(biāo)，彈出如圖10所示的“后處理”對(duì)話框，指定后處理器和輸出路徑，然后單擊【確定】按鈕生成如圖11所示的加工程序。

圖10　“后處理”對(duì)話框

圖11　生成的程序

4.5零件的加工及加工精度分析

把生成的程序?qū)氲綑C(jī)床，進(jìn)行加工，加工完成的零件圖如圖12所示。經(jīng)過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)，加工的內(nèi)球面符合加工精度的要求。

圖12　加工完成的零件圖

5結(jié)論

本文針對(duì)內(nèi)球面類型的零件的加工提出了五軸加工的加工工藝，雖然使用五軸加工中心本身會(huì)帶來(lái)較高的使用成本，但與常用的三軸立銑刀和球銑刀組合加工方式相比較，本工藝所使用的鍵槽銑刀加工效率較高，一般只需兩次走刀就可以加工出半球面。雖然相比數(shù)控車削經(jīng)濟(jì)性有所欠缺，但是在遇到加工偏心工件時(shí)有其很大優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)這次工藝方法的創(chuàng)新，為同類型產(chǎn)品提供了新的工藝方法，充分發(fā)揮和廣泛應(yīng)用多軸加工技術(shù)，大大提高了加工效率，取得良好的加工效果，有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

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(編輯趙蓉)

Study on the Inner Spherical Multi Axis Milling Process

ZHOU Li-bo,WU Hao

(Advanced Vocational Technical College,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 200437,China)

Abstract：Within the sphere as the research object,analyzed the effects of different processing methods on the machining quality and machining efficiency:turning processing more for non-eccentric workpiece;using three axis end milling-tool machining surface quality is relatively poor, and unable to complete within the sphere area at the bottom of the processing;choose small diameter ball milling-tool than sphere diameter,then need more than one cut ring cutting machining,enough number of ring cut to ensure the surface roughness;selection the same diameter ball milling-tool as spherical diameter, machining efficiency is high,but if the spherical size is changed,need to prepare a variety of sizes of milling-tool,which increases the cost;processing inner spherical using five-axes NC machine tools can solve the above traditional processing technology shortcomings,and adopt end milling-tool tilt spindle method processing.With the application of CAD/CAM software UGNX8.5,five-axis NC programming and simulation processing for inner spherical were expounded,and the actual processing,processing quality to meet the accuracy requirements.

Key words：inner spherical;processing technology;five-axis machining

文章編號(hào)：1001-2265(2016)06-0149-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.041

收稿日期：2015-07-26；修回日期：2015-09-06

作者簡(jiǎn)介：周立波(1978—)，男，湖北隨州人，上海工程技術(shù)大學(xué)副教授，碩士，研究方向?yàn)镃AD/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)及虛擬仿真，(E-mail)vincent365@126.com。

中圖分類號(hào)：TH164；TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A