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基于四軸CNC機床的球頭立銑刀端刃重磨方案

時間:2011-07-24 07:29:13 來源:未知

1 引言

在用球頭立銑刀切削加工三維曲面零件的過程中，球頭立銑刀的端刃容易產生磨損。球頭立銑刀表面幾何形狀復雜，其端刃的刃磨通常需要在進口五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床上進行，由于機床價格昂貴，造成球頭立銑刀端刃的重磨成本很高，因此不少刀具用戶采用手工方式進行球頭立銑刀端刃的重磨，修磨效率和刀具精度都難以保證，甚至有的球頭立銑刀只能作一次性使用，造成很大浪費。為了尋求更經濟實用的球頭立銑刀端刃修磨方法，筆者提出降低聯(lián)動軸數(shù)、在四軸聯(lián)動數(shù)控機床上實現(xiàn)對球頭立銑刀的重新修磨。采用這種方法，既可降低加工成本、減少刀具浪費，又可提高加工精度與修磨效率，還能更好地發(fā)揮現(xiàn)有機床的作用。

圖1 粗磨時Z軸下降高度示意圖

2 端刃重磨時主要參數(shù)的計算

    • 粗磨時Z軸的下降高度h
    • 粗磨時端刃前刀面偏轉角度q的計算
    球頭立銑刀端刃磨損后，根據(jù)圖1所示坐標系，球面應沿Z軸向下刃磨一定高度，才能實現(xiàn)正確的端刃曲線的重新修磨。圖1中R為球頭立銑刀半徑，d為球頭立銑刀端刃側面磨損量，h為應沿Z軸向下刃磨的高度，O為粗磨前球心，O＇為粗磨后球心。
    • 端刃側面磨損時：
      由圖1 可知   OA2=R2-h2
      OA=R-d
      則有
      R2-h2=R2-2Rd+d2
      即 h=（1）
      式（1）表明當銑刀球頭側面磨損d后，粗磨時Z軸方向應下降的高度為。
    • 當球頭頂部磨損h高度時，將球面直接向下刃磨h高度即可。
    • 當端刃球頂和兩側之間磨損時，可參照球頭刀刃側面磨損時的情況進行修磨。

    圖2 粗磨時前刀面偏轉角示意圖
    由于球頭立銑刀的周刃為螺旋線，在球面沿Z軸向下刃磨一定高度h的同時，前刀面在XOY平面內應偏轉一個角度q，以保證螺旋刃與端刃的正確位置關系（見圖2）。
    圓柱球頭立銑刀的周刃螺旋線參數(shù)方程為 X=Rcosq（2）Y=Rsinq
    Z=Pzq   2p
    式中R——螺旋線所在圓柱面的半徑
    Pz——螺旋線導程
    q—— 參變量
    在圖1、圖2所示坐標系中，有h=z，將式（1）代入式（2）的Z參數(shù)方程中，得 #p#分頁標題#e#
    q=2p   Pz
    （3）又因球頭立銑刀圓柱部分的周齒螺旋角w有 tanw=Pz   2pR
    代入式（3），則
    q=    Rtanw
    （4）或
    q=h   Rtanw
    （5）
    由式（4）、式（5）可知，在球頭立銑刀重磨加工時，若端刃向下刃磨一定高度h，端刃前刀面需要偏轉相應角度q=h/（Rtanw）；或當球頭立銑刀的端刃側面磨損量為d時，端刃前刀面需要偏轉相應角度q=/（Rtanw）。

    圖3 四軸聯(lián)動立式加工中心簡圖

    3 基于四軸CNC加工的球頭立銑刀端刃重磨方案

    四軸聯(lián)動立式加工中心可實現(xiàn)X、Y、Z、A四軸聯(lián)動：X、Y方向作水平運動；刀具通過刀柄夾持在機床主軸上，主軸帶動刀具旋轉，并可作上、下運動形成Z軸；旋轉工作臺繞X軸旋轉形成A軸（如圖3所示）。
    在四軸聯(lián)動立式加工中心上刃磨球頭立銑刀時，由于旋轉軸A砂輪旋轉軸Z垂直，使磨削工藝受到很大限制。為了解決這個問題，可通過對四軸CNC磨削加工的球頭立銑刀端刃的建模，將球頭立銑刀端刃模型的坐標系統(tǒng)進行轉化，使其與四軸聯(lián)動立式加工中心的坐標系統(tǒng)相對應。磨削加工時，將砂輪安裝在主軸上，通過夾具將待重磨的球頭立銑刀裝夾在旋轉工作臺上，并使球頭立銑刀軸線與砂輪軸線Z偏轉一角度a，使銑刀前刀面與YOZ平面平行，同時使球頭立銑刀球頭中心和端刃曲線圓的中心共線且與A軸的旋轉軸線重合，即可實現(xiàn)X軸的旋轉運動。

      圖4 球頭立銑刀前刀面磨削示意圖
      圖5 磨削后刀面示意圖
      • 端刃前刀面的磨削
      • 端刃后刀面的磨削
      圖4為球頭立銑刀前刀面磨削示意圖。前刀面可利用平型砂輪的柱面進行磨削，同時需要一個角運動。由于刀槽底線是一條平面曲線，砂輪的走刀軌跡可根據(jù)前刀面底線利用現(xiàn)有的CAM數(shù)學工具軟件求解。 #p#分頁標題#e#
      圖5為球頭立銑刀后刀面磨削示意圖。采用單斜邊砂輪進行后刀面的磨削，利用砂輪斜邊（錐面）進行磨削。由于刀刃曲線為圓的一部分，所以當球頭立銑刀半徑確定以后，應以球頭立銑刀球心為起點、在X方向偏移一定距離X=Rsina，Y方向以旋轉工作臺軸線為中心、以Rcosa為半徑，直接利用一個角運動進行旋轉磨削加工。

      4 結語

      根據(jù)以上討論，利用平型砂輪的柱面磨削球頭立銑刀端刃前刀面或用單斜邊砂輪的錐面磨削球頭立銑刀端刃后刀面時，通過一個角運動參與，在四軸聯(lián)動立式加工中心上可以實現(xiàn)對球頭立銑刀端刃的重新修磨。應用該方法，可減少機床聯(lián)動軸數(shù)，提高四軸聯(lián)動機床利用率，顯著降低球頭立銑刀重磨加工成本，提高修磨精度與修磨效率。