陳 艷,胡麗娜

(1.青島工學(xué)院,山東青島,266300; 2.青島理工大學(xué)琴島學(xué)院,山東 青島,266106)

橢球面上圓弧螺紋的加工精度研究

陳 艷1,胡麗娜2

(1.青島工學(xué)院,山東青島,266300; 2.青島理工大學(xué)琴島學(xué)院,山東 青島,266106)

通過圓弧螺紋加工案例,從工藝分析、數(shù)值分析、刀位號(hào)、對(duì)刀操作、參數(shù)設(shè)置到加工出實(shí)際工件,來闡明FANUC 0iT數(shù)控車床采用球頭刀在橢球面上加工圓弧螺紋提高加工精度的方法.此方法對(duì)實(shí)現(xiàn)橢球面上圓弧螺紋的加工具有較高實(shí)用價(jià)值,可直接應(yīng)用于FANUC 0iT數(shù)控車床上.

橢球; 圓弧螺紋; 球頭刀; 加工精度

以在數(shù)控車床上完成橢球面上加工圓弧螺紋為背景進(jìn)行研究,以實(shí)現(xiàn)零件高精度高效率的加工為目的.生產(chǎn)加工的零件主要為了方便鋼絲繩的纏繞,要實(shí)現(xiàn)在橢球面上加工圓弧螺紋,讓鋼絲在高速旋轉(zhuǎn)的橢球面滾筒上沿著圓弧螺紋均勻地纏繞或釋放.如果用尖刀加工圓弧螺紋,會(huì)在加工面上留下進(jìn)給刀痕,造成加工精度不高.如果用球頭刀加工圓弧螺紋,則可以很好地解決加工精度的問題.但在球頭刀的選擇上必須遵循以下原則:①球頭刀刀具直徑不能等于要加工的圓弧直徑,否則刀具吃刀時(shí)跟工件接觸面太大,會(huì)出現(xiàn)振紋,不能保證加工精度.②球頭刀刀具直徑必須小于要加工的圓弧螺紋的直徑(經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),以70%為宜),這樣車削過程中刀具跟工件接觸面比較適合,刀具與工件都是圓弧,進(jìn)給過程中是相切的,可以提高加工精度.

1 實(shí)例分析

1.1 工藝分析

圖1為橢球面加工圓弧螺紋,毛坯是直徑為42 mm的鋁合金棒料,在橢球面Z2/352+X2/202=1上加工R3的圓弧螺紋,P=5 mm,圓弧深度為1 mm.

刀具的選用及參考指令:

① 用主偏角為93°、刀具半徑為R0.2的外圓車刀(1號(hào)刀具),運(yùn)用G90指令粗車工件左端，至Φ40.5 mm53 mm.

② 用4 mm寬的車槽刀(2號(hào)刀具),運(yùn)用G75指令加工出Φ24 mm17 mm的槽.

③ 用主偏角為93°、刀具半徑為R0.2的外圓車刀,運(yùn)用宏指令精加工出橢球的基本尺寸.

④ 用R2的球頭刀(3號(hào)刀具),運(yùn)用宏指令及G32指令加工圓弧螺紋.

圖1 橢球面加工圓弧螺紋Fig.1 Ellipsoid processing arc thread

1.2 數(shù)值分析

加工橢球上的圓弧螺紋,由于是大螺距圓弧螺紋,采用球頭刀低轉(zhuǎn)速,并且刀具要同時(shí)按R3的圓弧與橢球的軌跡車螺紋,因此必須要找出刀具R2的中心與圓弧R3的中心和橢球的位置關(guān)系,并列出關(guān)系式,然后用宏程序編寫程序.

由圖1得橢球的數(shù)控加工方程為

Z2/352+X2/202=1

如圖2所示，取橢球上深度為1mm的R3圓弧AB段,當(dāng)R2的球頭刀具中心到達(dá)O1點(diǎn)時(shí),R2球頭刀與R3圓弧相切于A點(diǎn),刀具中心的起始角度為76°;當(dāng)?shù)毒哐刂鳵3圓弧進(jìn)給到B點(diǎn)時(shí),刀具中心到達(dá)O2點(diǎn),此時(shí)刀具的中心終點(diǎn)角度為104°,即R2刀具加工AB段弧,其刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡為O1O2,角度#1變量從76°變化到104°.所以R2球頭刀中心與R3圓弧之間的位置關(guān)系式:

圖2 刀具中心軌跡O1點(diǎn)至O2點(diǎn)Fig.2 Cutter center track O1 to O2

2 對(duì)刀及半徑補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

2.1 刀位號(hào)分析

如圖3所示,數(shù)控車床后置刀架刀具的刀尖方位,其刀尖方位號(hào)分別用數(shù)字0—9表示.前置刀架刀具的位置和刀尖方位號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系與后置刀架道理相同.

從圖3中我們清楚的看出內(nèi)槽車刀A,刀尖方位號(hào)為T1;內(nèi)槽車刀B、內(nèi)孔車刀C,刀尖方位號(hào)為T2;外圓車刀E、外圓車刀F、切斷刀G,刀尖方位號(hào)為T3;切斷刀I、外圓車刀J,刀尖方位號(hào)為T4;端面螺紋車刀D,刀尖方位號(hào)為T7;外螺紋車刀H,刀尖方位號(hào)為T8;豎放圓弧型車刀,刀尖方位號(hào)為T0;橫放圓弧型車刀,刀尖方位號(hào)為T9.

如果沒有刀具半徑值R,也就不存在刀尖方位號(hào)T.

圖3 后置刀架刀具刀尖方位Fig.3 Rear head cutter blade azimuth

2.2 對(duì)刀操作

對(duì)刀過程關(guān)鍵是針對(duì)刀位點(diǎn)的位置正確實(shí)現(xiàn)對(duì)刀操作,建立工件坐標(biāo)系,同時(shí)將刀具補(bǔ)償值預(yù)置到系統(tǒng)中.

如圖4外圓車刀車端面時(shí),在“offsetsetting”參數(shù)的“刀具補(bǔ)正/形狀”里輸入Z=Z向測(cè)量值,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的Z坐標(biāo);外圓車刀車外圓時(shí),輸入X=外圓直徑測(cè)量值,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的X坐標(biāo);刀具半徑R為0.2 mm,刀尖方位號(hào)T為3.刀具參數(shù)如圖8中01寄存器所示.

如圖5切斷刀車端面時(shí),在“offsetsetting”參數(shù)的“刀具補(bǔ)正/形狀”里輸入Z=Z向測(cè)量值(如果刀位點(diǎn)在切斷刀的右端點(diǎn)處,則Z值需要加上“刀寬”),點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的Z坐標(biāo);切斷刀車外圓時(shí),輸入X=外圓直徑測(cè)量值,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的X坐標(biāo);刀具半徑R為0 mm.刀具沒有刀尖半徑,半徑補(bǔ)償沒有意義,刀尖方位號(hào)也就沒有作用.刀具參數(shù)如圖8中02寄存器所示.

圖4 外圓車刀Fig.4 Cylindrical turning tool

圖5 切斷刀Fig.5 Cutting tool

如圖6圓弧型車刀車端面時(shí),在“offsetsetting”參數(shù)的“刀具補(bǔ)正/形狀”里輸入Z=Z向測(cè)量值+圓弧型車刀半徑值,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的Z坐標(biāo);圓弧型車刀車外圓時(shí),輸入X=外圓直徑測(cè)量值+圓弧型車刀直徑值,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的X坐標(biāo);刀具半徑R為2 mm,刀尖方位號(hào)T為0.注意刀位號(hào)0和9是圓弧形車刀沿軸向弧和徑向弧進(jìn)給不同.刀具參數(shù)如圖8中03寄存器所示.

分析刀具刀位點(diǎn)和刀尖圓弧中心位置為同一點(diǎn)的球頭刀的對(duì)刀.R2球頭刀X和Z軸對(duì)刀值如下:

①球頭刀車毛坯端面如圖6所示,在“offsetsetting”參數(shù)的“刀具補(bǔ)正/形狀”里輸入Z2.,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的Z坐標(biāo).

②球頭刀車毛坯外圓如圖7所示,并沿著Z軸方向退刀,測(cè)量所得Φ40.8 mm+4 mm=Φ44.8 mm,,在“offsetsetting”參數(shù)的“刀具補(bǔ)正/形狀”里輸入X44.8,點(diǎn)擊“測(cè)量”,即刀尖位置的X坐標(biāo).

圖6 R2球頭刀對(duì)端面Fig.6 R2 ball head tool to face

圖7 R2球頭刀車外圓Fig.7 R2 ball head tool outside circle

2.3 半徑補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

只有真正的搞清楚對(duì)刀的實(shí)質(zhì),理解刀具半徑補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn),除了設(shè)置刀具刀尖圓弧半徑值,確定刀具的具體方位參數(shù)T,根據(jù)刀具切削進(jìn)給路線選用G41G42半徑補(bǔ)償功能,都是實(shí)現(xiàn)半徑補(bǔ)償功能的重要影響因素.

從刀尖圓弧半徑補(bǔ)償方向的判定方法,可以得出一個(gè)結(jié)論:數(shù)控車床不管是后置刀架結(jié)構(gòu)還是前置刀架結(jié)構(gòu),其外圓表面自右向左進(jìn)行切削時(shí),刀尖圓弧半徑補(bǔ)償應(yīng)使用右補(bǔ)償指令G42;其內(nèi)圓表面自右向左進(jìn)行切削時(shí),刀尖圓弧半徑補(bǔ)償應(yīng)使用左補(bǔ)償指令G41.分析圖1加工零件刀具切削進(jìn)給路線,運(yùn)用1號(hào)刀具車橢球和3號(hào)刀具車圓弧螺紋時(shí),使用右補(bǔ)償G42指令.

加工刀具對(duì)刀結(jié)果,及設(shè)置刀具刀尖圓弧半徑值和刀尖方位號(hào)補(bǔ)償參數(shù),如圖8所示.

3 車圓弧螺紋程序中參數(shù)的選用

零件加工程序中車削參數(shù)的數(shù)值選用對(duì)加工精度的影響很大,在此零件加工過程中尤其在加工圓弧螺紋時(shí),轉(zhuǎn)進(jìn)給的選用;R2刀具加工起點(diǎn),角度初始值的選擇;螺紋加工起點(diǎn)、角度加工步距、圓弧車削深度步距的數(shù)值設(shè)置都將影響加工的精度.

程序編制過程中重要參數(shù)的數(shù)值設(shè)置如下:

1號(hào)刀具93°外圓車刀粗車外圓,轉(zhuǎn)進(jìn)給,主軸轉(zhuǎn)速為1 500 r·min-1;2號(hào)刀具4 mm寬切槽刀加工槽,主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1;車槽內(nèi)R1,R5圓弧(G73 U3.W3.R3.;G73 P1 Q2 U0.3 W0 F0.1;),粗加工主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1,精加工主軸轉(zhuǎn)速為800 r·min-1;1號(hào)刀具車橢球,主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1,加工橢圓步距(#6=#6-0.5;),加工深度步距(#5=#5-1;);3號(hào)刀具R2球頭刀車圓弧螺紋,轉(zhuǎn)進(jìn)給,主軸轉(zhuǎn)速為500 r·min-1;R2刀具加工起點(diǎn),角度初始值(#1=76;);螺紋加工起點(diǎn)(#14=5;);角度加工步距(#1=#1+1;);圓弧車削深度步距(#10=#10-0.2;).

圖8 刀具參數(shù)Fig.8 Tool parameters

4 實(shí)踐加工

在實(shí)訓(xùn)工廠生產(chǎn)機(jī)床上輸入程序,在系統(tǒng)中設(shè)置各參數(shù),完成對(duì)刀,實(shí)現(xiàn)橢球面上圓弧螺紋的加工,如圖9所示.經(jīng)過測(cè)量,尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求,零件表面質(zhì)量加工效果良好,如圖10所示.

圖9 加工過程中的產(chǎn)品Fig.9 Products in the process of machining

圖10 合格產(chǎn)品Fig.10 Qualified product

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn),在橢球面上采用球頭刀加工圓弧螺紋來提高加工精度是可行的.主要是要采用比圓弧螺紋R小30%的球頭刀具,球頭刀具的外切削刃與圓弧螺紋的內(nèi)弧是相切的,比使用尖刀或R大的球頭刀加工精度要高;其次是圓弧螺紋的螺距大,編程時(shí)采用的主軸轉(zhuǎn)速是500 r·min-1,在進(jìn)行螺紋車削過程中主軸轉(zhuǎn)速不會(huì)超過機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速,車削平穩(wěn)進(jìn)一步提高了加工精度,加工效果良好.為其他同類問題提供了參考.

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Machining precision study on ellipsoid circular thread

CHEN Yan1,HU Lina2

(1.Qingdao University of Technology, Qingdao, 266300;(2.Qindao College,Qingdao Technological University, Qingdao, 266106)

Pertaining to the arc thread processing cases with the technological and numerical analysis, tool spacing and setting, and parameter setting and finished workpiece, the machining precision of ellipsoid circular thread is improved using FANUC 0iT numerical control lathe ball head cutter. Accordingly, this approach possesses relatively higher practicality.

ellipsoid; circular thread; ball head cutter; machining precision

青島工學(xué)院2015年度董事長(zhǎng)科研資助基金項(xiàng)目(2015JY005)應(yīng)用型本科數(shù)控技術(shù)課程教學(xué)改革模式探索

陳 艷(1981-),女,碩士,講師.E-mail:509990038@qq.com

TG 659

A

1672-5581(2016)05-0455-05