橢球面上圓弧螺紋的加工精度研究

陳 艷,胡麗娜

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

通過圓弧螺紋加工案例,從工藝分析、數值分析、刀位號、對刀操作、參數設置到加工出實際工件,來闡明FANUC 0iT數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.此方法對實現(xiàn)橢球面上圓弧螺紋的加工具有較高實用價值,可直接應用于FANUC 0iT數控車床上.

橢球; 圓弧螺紋; 球頭刀; 加工精度

以在數控車床上完成橢球面上加工圓弧螺紋為背景進行研究,以實現(xiàn)零件高精度高效率的加工為目的.生產加工的零件主要為了方便鋼絲繩的纏繞,要實現(xiàn)在橢球面上加工圓弧螺紋,讓鋼絲在高速旋轉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,會在加工面上留下進給刀痕,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,否則刀具吃刀時跟工件接觸面太大,會出現(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(經反復試驗,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,進給過程中是相切的,可以提高加工精度.

1 實例分析

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號刀具),運用G90指令粗車工件左端，至Φ40.5 mm53 mm.

② 用4 mm寬的車槽刀(2號刀具),運用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,運用宏指令精加工出橢球的基本尺寸.

④ 用R2的球頭刀(3號刀具),運用宏指令及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,采用球頭刀低轉速,并且刀具要同時按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系,并列出關系式,然后用宏程序編寫程序.

由圖1得橢球的數控加工方程為

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R2的球頭刀具中心到達O1點時,R2球頭刀與R3圓弧相切于A點,刀具中心的起始角度為76°;當刀具沿著R3圓弧進給到B點時,刀具中心到達O2點,此時刀具的中心終點角度為104°,即R2刀具加工AB段弧,其刀具中心運動軌跡為O1O2,角度#1變量從76°變化到104°.所以R2球頭刀中心與R3圓弧之間的位置關系式:

圖2 刀具中心軌跡O1點至O2點Fig.2 Cutter center track O1 to O2

2 對刀及半徑補償的實現(xiàn)

2.1 刀位號分析

如圖3所示,數控車床后置刀架刀具的刀尖方位,其刀尖方位號分別用數字0—9表示.前置刀架刀具的位置和刀尖方位號對應關系與后置刀架道理相同.

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

如果沒有刀具半徑值R,也就不存在刀尖方位號T.

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

2.2 對刀操作

對刀過程關鍵是針對刀位點的位置正確實現(xiàn)對刀操作,建立工件坐標系,同時將刀具補償值預置到系統(tǒng)中.

如圖4外圓車刀車端面時,在“offsetsetting”參數的“刀具補正/形狀”里輸入Z=Z向測量值,點擊“測量”,即刀尖位置的Z坐標;外圓車刀車外圓時,輸入X=外圓直徑測量值,點擊“測量”,即刀尖位置的X坐標;刀具半徑R為0.2 mm,刀尖方位號T為3.刀具參數如圖8中01寄存器所示.

如圖5切斷刀車端面時,在“offsetsetting”參數的“刀具補正/形狀”里輸入Z=Z向測量值(如果刀位點在切斷刀的右端點處,則Z值需要加上“刀寬”),點擊“測量”,即刀尖位置的Z坐標;切斷刀車外圓時,輸入X=外圓直徑測量值,點擊“測量”,即刀尖位置的X坐標;刀具半徑R為0 mm.刀具沒有刀尖半徑,半徑補償沒有意義,刀尖方位號也就沒有作用.刀具參數如圖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,在“offsetsetting”參數的“刀具補正/形狀”里輸入Z=Z向測量值+圓弧型車刀半徑值,點擊“測量”,即刀尖位置的Z坐標;圓弧型車刀車外圓時,輸入X=外圓直徑測量值+圓弧型車刀直徑值,點擊“測量”,即刀尖位置的X坐標;刀具半徑R為2 mm,刀尖方位號T為0.注意刀位號0和9是圓弧形車刀沿軸向弧和徑向弧進給不同.刀具參數如圖8中03寄存器所示.

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

①球頭刀車毛坯端面如圖6所示,在“offsetsetting”參數的“刀具補正/形狀”里輸入Z2.,點擊“測量”,即刀尖位置的Z坐標.

②球頭刀車毛坯外圓如圖7所示,并沿著Z軸方向退刀,測量所得Φ40.8 mm+4 mm=Φ44.8 mm,,在“offsetsetting”參數的“刀具補正/形狀”里輸入X44.8,點擊“測量”,即刀尖位置的X坐標.

圖6 R2球頭刀對端面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 半徑補償的實現(xiàn)

只有真正的搞清楚對刀的實質,理解刀具半徑補償功能的實現(xiàn),除了設置刀具刀尖圓弧半徑值,確定刀具的具體方位參數T,根據刀具切削進給路線選用G41G42半徑補償功能,都是實現(xiàn)半徑補償功能的重要影響因素.

從刀尖圓弧半徑補償方向的判定方法,可以得出一個結論:數控車床不管是后置刀架結構還是前置刀架結構,其外圓表面自右向左進行切削時,刀尖圓弧半徑補償應使用右補償指令G42;其內圓表面自右向左進行切削時,刀尖圓弧半徑補償應使用左補償指令G41.分析圖1加工零件刀具切削進給路線,運用1號刀具車橢球和3號刀具車圓弧螺紋時,使用右補償G42指令.

加工刀具對刀結果,及設置刀具刀尖圓弧半徑值和刀尖方位號補償參數,如圖8所示.

3 車圓弧螺紋程序中參數的選用

零件加工程序中車削參數的數值選用對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,轉進給的選用;R2刀具加工起點,角度初始值的選擇;螺紋加工起點、角度加工步距、圓弧車削深度步距的數值設置都將影響加工的精度.

程序編制過程中重要參數的數值設置如下:

1號刀具93°外圓車刀粗車外圓,轉進給,主軸轉速為1 500 r·min-1;2號刀具4 mm寬切槽刀加工槽,主軸轉速為600 r·min-1;車槽內R1,R5圓弧(G73 U3.W3.R3.;G73 P1 Q2 U0.3 W0 F0.1;),粗加工主軸轉速為600 r·min-1,精加工主軸轉速為800 r·min-1;1號刀具車橢球,主軸轉速為600 r·min-1,加工橢圓步距(#6=#6-0.5;),加工深度步距(#5=#5-1;);3號刀具R2球頭刀車圓弧螺紋,轉進給,主軸轉速為500 r·min-1;R2刀具加工起點,角度初始值(#1=76;);螺紋加工起點(#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Fig.8 Tool parameters

4 實踐加工

在實訓工廠生產機床上輸入程序,在系統(tǒng)中設置各參數,完成對刀,實現(xiàn)橢球面上圓弧螺紋的加工,如圖9所示.經過測量,尺寸精度滿足設計要求,零件表面質量加工效果良好,如圖10所示.

圖9 加工過程中的產品Fig.9 Products in the process of machining

圖10 合格產品Fig.10 Qualified product

5 結語

通過實驗,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,編程時采用的主軸轉速是500 r·min-1,在進行螺紋車削過程中主軸轉速不會超過機床的最高轉速,車削平穩(wěn)進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.

[1] 上海宇龍軟件工程有限公司數控教材編寫組.數控技術應用教程-數控車床 [M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

Shanghai Yulong NC Materials Drawing Board Software Engineering Co.,LTD.Numerical control technology application tutorial- numerical control lathe [M].Beijing:Electronic Industry Press,2008.

[2] 陳艷,胡麗娜.數控車床圓弧型車刀加工的精度補償問題[J].制造技術與機床,2015(9):147-150.

CHEN Yan,HU Lina.The precision of the circular arc lathe tool CNC lathe processing compensation problem [J].Manufacturing Technology and Machine Tool,2015(9):147-150.

[3] 胡麗娜,陳艷.數控車床加工橢圓的角度問題[J].制造技術與機床,2014(3):75-77.

HU Lina,CHEN Yan.Processing ellipse angle of CNC lathe [J].Manufacturing Technology and Machine Tool,2014(3):75-77.

[4] 陳艷紅.非圓曲線輪廓的數控加工方法研究[J].機床與液壓,2011(10):23-25.

CHEN Yanhong.Study on CNC machining technology for non-circular curve profile [J].Machine Tool and Hydraulics,2011(10):23 to 25.

[5] 盧萬強,羅忠良.特殊圓弧螺紋的數控車削宏程序研究[J].機床與液壓,2014(16):45-52.

LU Wanqiang,LUO Zhongliang.Research on NC macro program for special circular thread [J].Machine Tool and Hydraulics,2014(16):45-52.

[6] 盧萬強.基于大螺距螺紋分層車削的參數編程研究[J].機床與液壓,2011(10):60-61.

LU Wanqiang.Based on a large pitch thread layering turning parameter programming study [J].Machine Tool and Hydraulics,2011(10):60-61.

[7] 夏羅生,朱樹紅.基于數控車削加工的刀尖圓弧半徑補償誤差研究[J].機床與液壓,2011(20):21-23.

XIA Luosheng,ZHU Shuhong.Study on the arc radius compensating errors for tool tip based on CNC turning [J].Machine Tool and Hydraulics,2011(20):21-23.

[8] 陳青艷.巧用刀具半徑補償指令實現(xiàn)多功能切削加工[J].機械設計與制造,2013(6):234-236.

CHEN Qingyan.Multi-function cutting machine by Flexibly using the G-Code of cutting tool radius offset [J].Machinery Design and Manufacture,2013(6):234-236.

[9] 程玉,黃康.數控加工中刀尖圓弧半徑補償與刀具磨耗補償實例分析[J].機床與液壓,2011(2):34-36.

CHENG Yu,HUANG Kang.Case analysis of tool nose round radius compensation and tool wear compensation in CNC machining processing [J].Machine Tool and Hydraulics,2011(2):34-36.

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

青島工學院2015年度董事長科研資助基金項目(2015JY005)應用型本科數控技術課程教學改革模式探索

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

TG 659

A

1672-5581(2016)05-0455-05