特种回转铣刀球头部分的加工方案

特种回转铣刀是加工复杂曲面的重要工具,在机械加工中用途广泛。目前国内外回转刀具制造商多采用四轴、五轴联动数控设备来制造特种回转铣刀(如风华机械厂采用五轴联动机床加工特种回转铣刀),对五轴联动加工的研究也不少。由于五轴联动加工成本很高,为了节省设备投资、降低刀具制造成本,作者先后与哈尔滨第二工具厂、哈尔滨工业大学高技术园区合作,应用二轴联动和非数控方法成功地加工出锥形回转铣刀和柱面球头铣刀。论文刊出后,引起有关企业对特种回转铣刀球头部分制造问题的关注。特种回转铣刀球头部分的制造是加工该类铣刀的共性难题,本文仅就此展开专门讨论,希望能对同行提供参考(二轴联动或非数控加工球头铣刀的总体模型在一些论文中已有详细介绍,此不赘述)。

图1

1球头铣刀的制造难点在图1所示的坐标系中,球头铣刀刃口在工作时生成的球面方程可记为r={Rsinu,Rcosucosv,rcousunv} (1)其中r为球面半径,u、v为球面参数。在传统的球头铣刀刃口设计中,刃口是与球面上的子午线成固定角度的曲线还是与旋转轴X成固定角度的曲线?曲线或等螺距曲线,在设计上会有一个突出的问题(球头切削刃的制造难度),即在球头上磨槽的过程中,砂轮轴与球头铣刀转轴之间的角度需要不断变化,即?=arccot(VJ/Vx)(2)公式中,VJ和Vx分别为砂轮绕铣刀轴线旋转的瞬时线速度和铣刀旋转轴沿X方向的进给速度。参考唐和的《不同定义下带角度的旋铣刀的优缺点》(发表于《哈尔滨工业大学学报》2001年第2期),不难推导出球头上的刃口在上述三种定义下对应的是什么。依次是什么角度?1=arccot(tan?secu)(3)?2=arccot[(R2cos2?tan2?-R2sin2u)?/(Rcosu)](4)?3=arccot(Rcosu/b)(5)其中是切削刃与子午线或轴线x的夹角,b是等螺距切削刃的螺旋参数,b=T/(2p)(6)其中T是螺距。从方程(3)到(5)可以看出,球面上切削刃的加工是由u?I (i(i=1 1,2,3)相应变化。如果不能实现这种变化,砂轮就不能磨削出相应的理想边缘曲线。正是因为这个原因,转刀厂家只使用四轴或五轴数控设备加工球头转铣刀(用步进电机实现?I (i(i=1 1,2,3))。尽管如此,作者进行的理论研究和实践结果表明,用两轴联动和非数控设备也能解决球头切削刃的加工难题。下面是三种不同的解决方案及其对应的主干模型。2球头铣刀非数控加工难点的解决方法对于特殊回转铣刀的非数控加工,作者在“非数控加工球头铣刀的主要数学模型”(点击标题阅读)和ChenCK,LaiHY,TangY .,“Carbidetti Pederserica铣刀的制造模型”(出版于Pimechengb-Jeng,1999年第7期):给出了不同的方法,详细的数学模型请参考Carbideptipeds的制造模型由于《渗碳层铣刀制造模型》主要讨论硬质合金球头铣刀,如果前角为正G,其模型也适用于普通球头铣刀。从公式(2)可以容易地看出新的定义方法。如果一开始像磨滚刀一样使铣刀的旋转线速度与轴向速度之比恒定,那就是VJ/Vx=cot?0(7)然后依次在球面上设计切削刃。因为VJ=wRcosu(8)其中W-铣刀旋转角速度Vx=Rcosu(du/dv)(9)此时将方程(8)和(9)代入方程(7),dv=cot?杜(10)在u=0,v=0的初始条件下得到球面方程(1),切削刃应满足V=ucot?0(11)将方程(11)代入方程(1),得到球面上新定义的刃口曲线方程为r={Rsinu,Rcosucos(ucot?0)、Rcosusin(ucot?0)}(12)显然,根据某些参考文献中的任何推导过程,都不难推导出一个新定义的刃口曲线相关模型,本文就不一一引用钢笔了。三轴联动加工方案在公式(1)定义的切削刃条件下,上述两种方法显然无法实现。如果使用某文献中的两轴联动方案,则需要附加随动夹具来实现公式(3)至(5)的角度变化。这种专用夹具的设计和制造对于批量生产是经济的,但对于单件或小批量订单来说是得不偿失的。这时就要考虑三轴联动加工方案,即铣刀旋转恒速,轴向和径向进给都是通过步进电机实现的,还要在砂轮轴上?当I (i(i=1 1,2,3)变化时,增加一个数控装置来控制砂轮轴的旋转角度。显然,这种三轴联动加工方案所对应的实际沟槽和切削刃模型与本文得到的模型相差较大,需要重新推导(为避免过于冗长,本文不再展开)。结论本文讨论的问题既是铣刀生产厂家遇到的问题,也是作者在台湾省、成功大学等地实施特种回转铣刀两轴联动加工时遇到的问题。上面提到的解决方案,有的是经过实践验证的,有的是基于理论的,在此发表,供同行参考。