雙頭螺旋槽零件的造型與加工

劉艷申

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000)

四軸加工相比三軸加工增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。四軸機(jī)床常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有轉(zhuǎn)臺(tái)式和擺頭式，其中以轉(zhuǎn)臺(tái)式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛，這類(lèi)機(jī)床通常是在X、Y、Z軸的基礎(chǔ)上增加一個(gè)繞著X 軸旋轉(zhuǎn)(即A 軸)的轉(zhuǎn)臺(tái)。螺旋槽零件是在一個(gè)圓柱面上含有螺旋的槽，采用常規(guī)的三軸加工無(wú)法完成零件加工。針對(duì)在圓柱面上有槽以及含有規(guī)則或不規(guī)則曲面的零件，在實(shí)際加工中，通常需要采用四軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控加工中心才能實(shí)現(xiàn)，其所對(duì)應(yīng)的加工程序需要采用CAD/CAM 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。

1 工藝分析

1.1 雙頭螺旋槽結(jié)構(gòu)分析

圖1 所示雙頭螺旋槽的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，表面質(zhì)量和精度要求較高。

圖1 雙頭螺旋槽的結(jié)構(gòu)圖

在加工過(guò)程中，可先加工含有雙頭螺旋槽一端，之后掉頭加工另一端。對(duì)于螺旋槽的加工，可只生成一頭的走刀路線，另一頭可將單頭螺旋槽的加工程序增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)180°指令完成另一頭的加工，也可將單頭螺旋槽的走刀路線復(fù)制陣列(或旋轉(zhuǎn))生成另一頭走刀路線最后一起生成加工程序。在數(shù)控加工中心上加工之前，毛坯已經(jīng)在車(chē)床上加工到了(90 ±0.03)mm。

1.2 雙頭螺旋槽數(shù)控加工工序卡

表1 中的切削用量為任意設(shè)定的值，實(shí)際加工時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)定。

表1 雙頭螺旋槽零件數(shù)控加工工序卡

2 基于CAXA 制造工程師的雙頭螺旋槽數(shù)控加工編程

該零件在加工過(guò)程中有一次掉頭過(guò)程，在機(jī)床上加工時(shí)掉頭就需要建立新的工件坐標(biāo)系，但由于CAXA 制造工程師在做四軸加工編程時(shí)只能使用系統(tǒng)坐標(biāo)系，因此兩端需要單獨(dú)做。每一端在畫(huà)圖時(shí)都需要將系統(tǒng)坐標(biāo)系作為機(jī)床加工時(shí)的工件坐標(biāo)系來(lái)使用。特別要注意所使用機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式，一般都是旋轉(zhuǎn)臺(tái)的形式，但旋轉(zhuǎn)臺(tái)在不同機(jī)床上的安裝位置不一樣，有些是安裝在工作臺(tái)左端，有些是安裝在右端，這就牽涉到工件坐標(biāo)系建立在工件左端面還是右端面。一般情況是:旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在工作臺(tái)左端時(shí)將工件坐標(biāo)系建立在工件右端，旋轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在工作臺(tái)右端時(shí)將工件坐標(biāo)系建立在工件左端。下面以旋轉(zhuǎn)臺(tái)在工作臺(tái)右端安裝將工件坐標(biāo)系建立在工件左端為例介紹螺旋槽的加工。

2.1 螺旋槽加工

2.1.1 緊挨螺旋槽的槽體加工

由于該槽體的公差等級(jí)為IT13，因此在加工過(guò)程中可以不分粗精加工，需要繪制一條槽體中心線，位置在毛坯表面，利用制造工程師軟件的四軸柱面曲線加工方式即可完成走刀路線的生成。槽加工走刀路線見(jiàn)圖2，槽加工實(shí)體仿真見(jiàn)圖3。

圖2 槽體加工走刀路線

圖3 槽體加工實(shí)體仿真

2.1.2 螺旋槽粗加工

對(duì)于螺旋槽的加工在做自動(dòng)編程時(shí)只需要畫(huà)出中心線即可，不需要畫(huà)出實(shí)體。繪制一個(gè)繞著X 軸旋轉(zhuǎn)、半徑為39 mm、長(zhǎng)度為90 mm 的旋轉(zhuǎn)面，并在旋轉(zhuǎn)面上繪出雙頭螺旋槽對(duì)應(yīng)的表面中心線，螺旋線公式為(笛卡兒坐標(biāo)，為了保證螺旋槽切削完全t 的取值范圍最好取稍微大一點(diǎn)，但不能在其他位置出現(xiàn)過(guò)切，因此兩端各延伸1/6 圈，t 的取值范圍為－1.047 ～7.327):

x(t)= 30 × t/6.28

y(t)= 39 × cost

z(t)= 39 × sint

結(jié)果如圖4 所示。

利用制造工程師多軸加工－四軸柱面曲線加工方式完成一頭螺旋槽粗加工走刀路線(給精加工單邊留下0.2 mm 余量)，之后利用旋轉(zhuǎn)或者陣列功能生成另一條螺旋槽粗加工走刀路線，如圖5 所示。

圖4 螺旋線

圖5 螺旋槽粗加工走刀路線

2.1.3 螺旋槽精加工

螺旋槽精加工為刀具分別將槽體兩個(gè)側(cè)面切削一刀完成，利用制造工程師中多軸加工－四軸柱面曲線加工方式生成走刀路線，如圖6 所示。之后設(shè)置一個(gè)圓柱形毛坯，圓柱形毛坯在設(shè)置過(guò)程中需要注意旋轉(zhuǎn)軸及方向，并利用制造工程師軟件的實(shí)體仿真功能進(jìn)行螺旋槽粗精加工的仿真加工，結(jié)果如圖7 所示。

圖6 螺旋槽精加工路線

圖7 螺旋槽實(shí)體仿真

圖8 槽加工走刀路線

圖9 槽加工實(shí)體仿真

這部分是繞著原點(diǎn)的3 個(gè)完全相同的特征，在加工過(guò)程中只需要生成一個(gè)特征的走刀路線，其余的按照?qǐng)A形陣列方式即可得出。采用三軸加工的方式去加工特征，增加一些輔助坐標(biāo)系做起來(lái)就比較簡(jiǎn)單。輔助坐標(biāo)系在建立時(shí)先根據(jù)需要畫(huà)出兩個(gè)相互垂直的相交直線，采用兩相交直線方式生成。走刀路線見(jiàn)圖10，實(shí)體仿真見(jiàn)圖11。

圖10 走刀路線

圖11 實(shí)體仿真

2.1.6 R4.5 面及2－R2 圓弧倒角加工

制造工程師四軸平切面加工只支持曲面加工，因此需將R4.5 面及2－R2 圓弧倒角的曲面提取出來(lái)。利用四軸平切面按照表2 設(shè)置環(huán)形切削間距。圓弧面走刀路線見(jiàn)圖12，圓弧面實(shí)體仿真見(jiàn)圖13。

表2 球刀爬曲面比較合適的最大刀間距 mm

圖12 圓弧面走刀路線

圖13 圓弧面實(shí)體仿真

2.1.7 孔加工

孔加工比較簡(jiǎn)單，只需要確定幾個(gè)參數(shù)，包含孔中心X、Y 坐標(biāo)值、孔口表面Z 坐標(biāo)值、孔深即可。完全不需要自動(dòng)編程就可實(shí)現(xiàn)。對(duì)于孔加工，制造工程師提供的刀具只有鉆頭，因此想做絞孔等其他孔加工只能在制造工程師里用鉆頭替代，生成加工程序后在機(jī)床上加工時(shí)要安裝合適的刀具?？准庸?shí)體仿真見(jiàn)圖14。

2.1.8 后置處理生成加工程序

利用CAXA 制造工程師的后置處理模塊按照所需機(jī)床的系統(tǒng)選擇合適的后置處理文件生成加工程序。

圖14 孔加工實(shí)體仿真

3 數(shù)控四軸加工中心加工

圖15 為利用CAXA 制造工程師生成的加工程序在大連機(jī)床廠生產(chǎn)的VDF-850 四軸加工中心上加工的零件實(shí)體。在加工過(guò)程中為了追求加工速度，設(shè)定的進(jìn)給量較大，四軸平切面加工中行距設(shè)置較大，導(dǎo)致最終工件表面質(zhì)量較差。

圖15 實(shí)際加工結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展，高速切削與多軸加工已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工行業(yè)，CAD/CAM 軟件為高速切削與多軸加工的發(fā)展起到了非常重要的作用。四軸加工絕大部分情況下需要采用球頭銑刀，加工效率很低，因此在四軸零件加工過(guò)程中要注意盡可能分塊去做，盡可能在普通機(jī)床上對(duì)毛坯的簡(jiǎn)單部分進(jìn)行初步加工，在數(shù)控機(jī)床上能用三軸方式的就用三軸方式去加工，這樣不僅可以提高加工效率，還能極大降低零件的加工成本。在做四軸零件建模時(shí)，最好將工件坐標(biāo)系設(shè)定好，可以大大節(jié)約對(duì)刀時(shí)間。對(duì)于CAXA制造工程師軟件來(lái)說(shuō)，在做走刀路線陣列時(shí)一定要選擇“軌跡坐標(biāo)系陣列”選項(xiàng);由于缺乏一些刀具系統(tǒng)，因此在做一些加工(比如孔加工)時(shí)無(wú)法完全按照實(shí)際情況去做。

［1］楊明珠．CAXA 制造工程師在數(shù)控加工中的應(yīng)用［J］．機(jī)械工程師，2014(1):72－73．

［2］王曉霞，梁國(guó)勇，李焱，等．基于CAXA 制造工程師的復(fù)雜曲面數(shù)控加工［J］．煤礦機(jī)械，2013(7):133－135．

［3］周永情，王慶志．基于CAXA 制造工程師和宇龍的復(fù)雜曲面仿真加工［J］．煤礦機(jī)械，2012(10):117－118．

［4］錢(qián)華勇．CAXA 制造工程師軟件在常見(jiàn)曲面造型中的應(yīng)用［J］．機(jī)械工程師，2014(9):142－144．