李洪

通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司 遼寧大連 116620

1 序言

球面加工通常對輪廓精度和表面粗糙度要求比較高，普通加工方式很難得到一個高輪廓精度和高表面質(zhì)量的球面。球面的常規(guī)加工方式主要有車削和銑削，銑削效率比較低，加工精度和表面粗糙度也不高，因此對精度要求高的零件通常不會采用這種加工方式。車削加工效率相比之下要高很多，并且加工精度和表面粗糙度也很好，在沒有專用設(shè)備的情況下是比較理想的加工方法。但是車削加工精度受機(jī)床精度、數(shù)控系統(tǒng)、刀具磨損等諸多因素影響，快速加工一個較高輪廓精度和均勻表面質(zhì)量的球面也較為困難，因此要想獲得一個高輪廓精度的球面，通常會采用一些專用設(shè)備和一些特殊的加工方法。本文主要介紹一種利用帶有西門子五軸功能的車銑復(fù)合加工中心機(jī)床來加工外球面的方法，這種方法類似于車和銑的復(fù)合加工，加工出來的球面表面質(zhì)量均勻且球面輪廓精度高。

2 原理分析

根據(jù)幾何原理可知：當(dāng)一個球體和一個平面相交時會形成一個截面，其截面交線就是一個圓（見圖1）。平面與球心距離越近，圓的半徑就越大，當(dāng)球心在平面上時，圓的半徑最大（等于球半徑）。反過來講，任意一個圓都可以被無數(shù)個半徑不小于其半徑的球通過。根據(jù)這一原理，我們利用銑刀自轉(zhuǎn)形成的圓去切削回轉(zhuǎn)的工件，這樣就會加工出一個球體，加工方式如圖2所示。

圖1 截面交線

圖2 加工方式

3 數(shù)據(jù)計算

從理論上講，一個圓可以被無數(shù)個不同半徑的球通過，因此我們在加工一個球時，首先應(yīng)先確定球的尺寸，然后根據(jù)加工球面的范圍確定刀具直徑、刀具旋轉(zhuǎn)的角度。

球面加工尺寸計算如圖3所示，O為球心，R為球半徑，A點為球的頂點，B點為球終止位置，D為終止處截面圓直徑，L1為球的回轉(zhuǎn)軸線，β為OB與L1夾角，則直線AB為銑刀回轉(zhuǎn)直徑，L2為銑刀回轉(zhuǎn)軸線且過球心，α為刀具旋轉(zhuǎn)的角度，H為刀具最終下刀位置。推導(dǎo)可得，刀具旋轉(zhuǎn)角度為

則銑刀半徑r＝Rsinα，下刀位置H＝Rcosα。

4 加工方法

（1）加工設(shè)備 本文加工設(shè)備采用臥式車銑復(fù)合加工中心，機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖4所示。該加工中心配備西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，具有RTCP五軸聯(lián)動功能和雙通道功能。

（2）加工刀具 采用如圖5所示的套銑刀具。

（3）加工方法 先用車刀車出圓球形狀，留有余量；然后根據(jù)圓球尺寸計算出刀具直徑尺寸，并將刀具直徑調(diào)整到相應(yīng)尺寸；將工件坐標(biāo)系零點設(shè)置在球心，旋轉(zhuǎn)刀具軸，使刀具旋轉(zhuǎn)到加工角度位置（α）；旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系，使Z軸與刀具軸平行，定位刀具軸與旋轉(zhuǎn)后的Z軸重合并定位刀具位置在工件安全高度；啟動五軸功能使刀具處于聯(lián)動狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)刀具并使工件緩慢旋轉(zhuǎn)，控制刀具以切削速度沿旋轉(zhuǎn)后的Z軸方向進(jìn)刀，直至達(dá)到預(yù)期加工位置（H），加工完成后使刀具沿進(jìn)刀軸線返回。

（4）加工程序 加工程序如下。

5 要點說明

1）為保證加工部分的球面完整，刀尖旋轉(zhuǎn)軌跡必須經(jīng)過球面頂點，并且刀具回轉(zhuǎn)中心必須經(jīng)過球心。

2）加工過程中啟動五軸功能，能夠準(zhǔn)確控制刀尖位置，方便編程。

3）到達(dá)加工深度后工件應(yīng)至少旋轉(zhuǎn)360°，以確保球面加工完整。

6 結(jié)束語

利用銑削方法加工球面不僅可以很容易地獲得較好的表面粗糙度和形狀精度，而且車銑復(fù)合的特殊機(jī)床結(jié)構(gòu)和西門子840D強(qiáng)大的功能，使編程和加工變得更加簡單，不需要制作專用夾具，簡化了加工工藝。