椭球面上圆弧螺纹的加工精度研究

椭球面上圆弧螺纹的加工精度研究

陈 艳1,胡丽娜2

(1.青岛工学院,山东青岛,266300; 2.青岛理工大学琴岛学院,山东 青岛,266106)

摘要：通过圆弧螺纹加工案例,从工艺分析、数值分析、刀位号、对刀操作、参数设置到加工出实际工件,来阐明FANUC 0iT数控车床采用球头刀在椭球面上加工圆弧螺纹提高加工精度的方法.此方法对实现椭球面上圆弧螺纹的加工具有较高实用价值,可直接应用于FANUC 0iT数控车床上.

关键词：椭球; 圆弧螺纹; 球头刀; 加工精度

以在数控车床上完成椭球面上加工圆弧螺纹为背景进行研究,以实现零件高精度高效率的加工为目的.生产加工的零件主要为了方便钢丝绳的缠绕,要实现在椭球面上加工圆弧螺纹,让钢丝在高速旋转的椭球面滚筒上沿着圆弧螺纹均匀地缠绕或释放.如果用尖刀加工圆弧螺纹,会在加工面上留下进给刀痕,造成加工精度不高.如果用球头刀加工圆弧螺纹,则可以很好地解决加工精度的问题.但在球头刀的选择上必须遵循以下原则:①球头刀刀具直径不能等于要加工的圆弧直径,否则刀具吃刀时跟工件接触面太大,会出现振纹,不能保证加工精度.②球头刀刀具直径必须小于要加工的圆弧螺纹的直径(经反复试验,以70%为宜),这样车削过程中刀具跟工件接触面比较适合,刀具与工件都是圆弧,进给过程中是相切的,可以提高加工精度.

1 实例分析

1.1 工艺分析

图1为椭球面加工圆弧螺纹,毛坯是直径为42 mm的铝合金棒料,在椭球面Z2/352 +X2/202=1上加工R3的圆弧螺纹,P=5 mm,圆弧深度为1 mm.

刀具的选用及参考指令:

① 用主偏角为93°、刀具半径为R0.2的外圆车刀(1号刀具),运用G90指令粗车工件左端，至Φ40.5 mm53 mm.

② 用4 mm宽的车槽刀(2号刀具),运用G75指令加工出Φ24 mm17 mm的槽.

③ 用主偏角为93°、刀具半径为R0.2的外圆车刀,运用宏指令精加工出椭球的基本尺寸.

④ 用R2的球头刀(3号刀具),运用宏指令及G32指令加工圆弧螺纹.

图1 椭球面加工圆弧螺纹
Fig.1 Ellipsoid processing arc thread

1.2 数值分析

加工椭球上的圆弧螺纹,由于是大螺距圆弧螺纹,采用球头刀低转速,并且刀具要同时按R3的圆弧与椭球的轨迹车螺纹,因此必须要找出刀具R2的中心与圆弧R3的中心和椭球的位置关系,并列出关系式,然后用宏程序编写程序.

由图1得椭球的数控加工方程为

Z2/352 +X2/202=1

如图2所示，取椭球上深度为1 mm的R3圆弧AB段,当R2的球头刀具中心到达O1点时,R2球头刀与R3圆弧相切于A点,刀具中心的起始角度为76°;当刀具沿着R3圆弧进给到B点时,刀具中心到达O2点,此时刀具的中心终点角度为104°,即R2刀具加工AB段弧,其刀具中心运动轨迹为O1O2,角度#1变量从76°变化到104°.所以R2球头刀中心与R3圆弧之间的位置关系式:

图2 刀具中心轨迹O1点至O2点
Fig.2 Cutter center track O1 to O2

2 对刀及半径补偿的实现

2.1 刀位号分析

如图3所示,数控车床后置刀架刀具的刀尖方位,其刀尖方位号分别用数字0—9表示.前置刀架刀具的位置和刀尖方位号对应关系与后置刀架道理相同.

从图3中我们清楚的看出内槽车刀A,刀尖方位号为T1;内槽车刀B、内孔车刀C,刀尖方位号为T2;外圆车刀E、外圆车刀F、切断刀G,刀尖方位号为T3;切断刀I、外圆车刀J,刀尖方位号为T4;端面螺纹车刀D,刀尖方位号为T7;外螺纹车刀H,刀尖方位号为T8;竖放圆弧型车刀,刀尖方位号为T0;横放圆弧型车刀,刀尖方位号为T9.

如果没有刀具半径值R,也就不存在刀尖方位号T.

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

2.2 对刀操作

对刀过程关键是针对刀位点的位置正确实现对刀操作,建立工件坐标系,同时将刀具补偿值预置到系统中.

如图4外圆车刀车端面时,在“offsetsetting”参数的“刀具补正/形状”里输入Z=Z向测量值,点击“测量”,即刀尖位置的Z坐标;外圆车刀车外圆时,输入X=外圆直径测量值,点击“测量”,即刀尖位置的X坐标;刀具半径R为0.2 mm,刀尖方位号T为3.刀具参数如图8中01寄存器所示.

如图5切断刀车端面时,在“offsetsetting”参数的“刀具补正/形状”里输入Z=Z向测量值(如果刀位点在切断刀的右端点处,则Z值需要加上“刀宽”),点击“测量”,即刀尖位置的Z坐标;切断刀车外圆时,输入X=外圆直径测量值,点击“测量”,即刀尖位置的X坐标;刀具半径R为0 mm.刀具没有刀尖半径,半径补偿没有意义,刀尖方位号也就没有作用.刀具参数如图8中02寄存器所示.

图4 外圆车刀
Fig.4 Cylindrical turning tool

图5 切断刀
Fig.5 Cutting tool

如图6圆弧型车刀车端面时,在“offsetsetting”参数的“刀具补正/形状”里输入Z=Z向测量值+圆弧型车刀半径值,点击“测量”,即刀尖位置的Z坐标;圆弧型车刀车外圆时,输入X=外圆直径测量值+圆弧型车刀直径值,点击“测量”,即刀尖位置的X坐标;刀具半径R为2 mm,刀尖方位号T为0.注意刀位号0和9是圆弧形车刀沿轴向弧和径向弧进给不同.刀具参数如图8中03寄存器所示.

分析刀具刀位点和刀尖圆弧中心位置为同一点的球头刀的对刀.R2球头刀X和Z轴对刀值如下:

①球头刀车毛坯端面如图6所示,在“offsetsetting”参数的“刀具补正/形状”里输入Z2.,点击“测量”,即刀尖位置的Z坐标.

②球头刀车毛坯外圆如图7所示,并沿着Z轴方向退刀,测量所得Φ40.8 mm+4 mm=Φ44.8 mm,,在“offsetsetting”参数的“刀具补正/形状”里输入X44.8,点击“测量”,即刀尖位置的X坐标.

图6 R2球头刀对端面
Fig.6 R2 ball head tool to face

图7 R2球头刀车外圆
Fig.7 R2 ball head tool outside circle

2.3 半径补偿的实现

只有真正的搞清楚对刀的实质,理解刀具半径补偿功能的实现,除了设置刀具刀尖圆弧半径值,确定刀具的具体方位参数T,根据刀具切削进给路线选用G41G42半径补偿功能,都是实现半径补偿功能的重要影响因素.

从刀尖圆弧半径补偿方向的判定方法,可以得出一个结论:数控车床不管是后置刀架结构还是前置刀架结构,其外圆表面自右向左进行切削时,刀尖圆弧半径补偿应使用右补偿指令G42;其内圆表面自右向左进行切削时,刀尖圆弧半径补偿应使用左补偿指令G41.分析图1加工零件刀具切削进给路线,运用1号刀具车椭球和3号刀具车圆弧螺纹时,使用右补偿G42指令.

加工刀具对刀结果,及设置刀具刀尖圆弧半径值和刀尖方位号补偿参数,如图8所示.

3 车圆弧螺纹程序中参数的选用

零件加工程序中车削参数的数值选用对加工精度的影响很大,在此零件加工过程中尤其在加工圆弧螺纹时,转进给的选用;R2刀具加工起点,角度初始值的选择;螺纹加工起点、角度加工步距、圆弧车削深度步距的数值设置都将影响加工的精度.

程序编制过程中重要参数的数值设置如下:

1号刀具93°外圆车刀粗车外圆,转进给,主轴转速为1 500 r·min-1;2号刀具4 mm宽切槽刀加工槽,主轴转速为600 r·min-1;车槽内R1,R5圆弧(G73 U3.W3.R3.;G73 P1 Q2 U0.3 W0 F0.1;),粗加工主轴转速为600 r·min-1,精加工主轴转速为800 r·min-1;1号刀具车椭球,主轴转速为600 r·min-1,加工椭圆步距(#6=#6-0.5;),加工深度步距(#5=#5-1;);3号刀具R2球头刀车圆弧螺纹,转进给,主轴转速为500 r·min-1;R2刀具加工起点,角度初始值(#1=76;);螺纹加工起点(#14=5;);角度加工步距(#1=#1+1;);圆弧车削深度步距(#10=#10-0.2;).

图8 刀具参数
Fig.8 Tool parameters

4 实践加工

在实训工厂生产机床上输入程序,在系统中设置各参数,完成对刀,实现椭球面上圆弧螺纹的加工,如图9所示.经过测量,尺寸精度满足设计要求,零件表面质量加工效果良好,如图10所示.

图9 加工过程中的产品
Fig.9 Products in the process of machining

图10 合格产品
Fig.10 Qualified product

5 结语

通过实验,在椭球面上采用球头刀加工圆弧螺纹来提高加工精度是可行的.主要是要采用比圆弧螺纹R小30%的球头刀具,球头刀具的外切削刃与圆弧螺纹的内弧是相切的,比使用尖刀或R大的球头刀加工精度要高;其次是圆弧螺纹的螺距大,编程时采用的主轴转速是500 r·min-1,在进行螺纹车削过程中主轴转速不会超过机床的最高转速,车削平稳进一步提高了加工精度,加工效果良好.为其他同类问题提供了参考.

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Machining precision study on ellipsoid circular thread

CHEN Yan1,HU Lina 2

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

Abstract：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.

Key words：ellipsoid; circular thread; ball head cutter; machining precision

基金项目：青岛工学院2015年度董事长科研资助基金项目(2015JY005)应用型本科数控技术课程教学改革模式探索

作者简介：陈 艳(1981-),女,硕士,讲师.E-mail:[e-mail]

中图分类号：TG 659

文献标志码：A

文章编号：1672-5581(2016)05-0455-05