三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控磨床的球銑刀后刀面建模

趙 林

（河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司安陽(yáng)卷煙廠，河南安陽(yáng) 455000）

0 引言

刀具的大量使用使得刀具刃磨越來(lái)越受到重視，尤其是復(fù)雜結(jié)構(gòu)刀具的重新刃磨對(duì)于企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本顯得至關(guān)重要，球銑刀作為一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)刀具，其刃磨困難，刃磨成本高。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家與高?？蒲袡C(jī)構(gòu)均研發(fā)出不同類(lèi)型的刀具刃磨機(jī)床，但是這些機(jī)床幾乎都是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的刀具刃磨機(jī)床鮮有實(shí)際應(yīng)用?；跂|北大學(xué)自主設(shè)計(jì)制造的三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控刃磨機(jī)床[1]，進(jìn)行螺旋刃球銑刀后刀面建模研究，為后續(xù)編程刃磨實(shí)驗(yàn)做好理論基礎(chǔ)。

1 三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控磨床簡(jiǎn)介

三并聯(lián)萬(wàn)向工作頭數(shù)控磨床（圖1）由5個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)桿電機(jī)控制2個(gè)并聯(lián)支鏈分別實(shí)現(xiàn)等量伸縮進(jìn)而使工作頭繞X軸的擺動(dòng)，也可以控制2個(gè)并聯(lián)支鏈同步等量伸縮實(shí)現(xiàn)工作頭繞Z軸的擺動(dòng)，若并聯(lián)支鏈的伸縮不等量則可以實(shí)現(xiàn)工作頭繞xOz平面內(nèi)任意方向擺動(dòng)。橫向滑移電機(jī)和縱向滑移電機(jī)可以使工作頭實(shí)現(xiàn)橫向與縱向進(jìn)給。主軸電機(jī)可控制工件繞擺動(dòng)以后的主軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)工作頭擺動(dòng)一定角度之后，縱向進(jìn)給方向并不是沿工作頭末端執(zhí)行器的軸線，而是保持原來(lái)方向不變。

2 球頭立銑刀刃口曲線的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)現(xiàn)有三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在參考已有的球頭銑刀數(shù)學(xué)模型[2-6]的基礎(chǔ)上重新建立螺旋刃球銑刀球頭部分刃口曲線的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖1 三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控磨床

O點(diǎn)為萬(wàn)向節(jié)的擺動(dòng)中心，O—XYZ為銑刀結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系。O1—X1Y1Z1為銑刀的球面坐標(biāo)系，O1為銑刀球頭中心，R為球面半徑。P為球面上任意一磨削點(diǎn)，P1為點(diǎn)P在球面底面圓環(huán)上的投影，θ為刃口曲線上磨削點(diǎn)P與X1Y1平面的夾角，φ為P1與X1軸的夾角，H為2個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)間的距離，λ為點(diǎn)P1與Z軸的夾角，l為OP的長(zhǎng)度。

圖2 球頭銑刀刃口曲線數(shù)學(xué)模型

基于三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控機(jī)床的球面螺旋線磨削可看作這樣一種運(yùn)動(dòng)：點(diǎn)P在坐標(biāo)系O1—X1Y1Z1中的擺動(dòng)和繞Z1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)相互作用形成球面螺旋線，桿長(zhǎng)O1P保證了球面半徑為R。形成球銑刀刃口曲線的過(guò)程中，并聯(lián)機(jī)床的兩根并聯(lián)桿做完全相反的勻速伸縮運(yùn)動(dòng)，使得桿OP繞擺動(dòng)中心勻速擺動(dòng)，擺角為λ，同時(shí)縱向滑臺(tái)進(jìn)給η，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可看作滑塊沿桿OP滑動(dòng)，桿OP長(zhǎng)度縮短η，即λ角和長(zhǎng)度l時(shí)刻在變化。在坐標(biāo)系O1—X1Y1Z1中球面刃口曲線可表示為：x1=Rcosθcosφ，y1=-Rcosθsinφ，z1=Rsinθ，其中，θ與 φ 存在一定的函數(shù)關(guān)系。

在坐標(biāo)系O—XYZ中銑刀球面刃口曲線可表示為：x=lsinλcosφ，y=-lsinλsinφ，z=lcosλ，其中，φ，l均與 λ 存在一定的函數(shù)關(guān)系。在坐標(biāo)系O—XYZ中正交螺旋面可表示為：x=Rzcosφ，y=-Rzsinφ，z=Pzφ/2π+H。在三角形 OPO1中，由余弦定理可知，cosλ=（l2+H2-R2）/2lH，即 l2-2lHcosλ+H2-R2=0。解得：l=Hcosλ±當(dāng)λ=0時(shí)l=R+H，因此可將負(fù)號(hào)解排除，所以l=又因?yàn)?η=R+H-l，故 η=R+H-Hcosλ+聯(lián)立 x=lsinλcosφ，y=-lsinλsinφ，z=lcosλ 和 x=Rzcosφ，y=-Rzsinφ，z=Pzφ/2π+H 可得：Pzφ/2π+H=lcosλ。解得，φ=（lcosλ-H）tanβ/R，其中，β為銑刀螺旋角（與軸線夾角），tanβ=2πR/Pz，其中，Pz為導(dǎo)程。在坐標(biāo)系O—XYZ中銑刀球面單側(cè)刃口曲線可表示為（1）式。

另一側(cè)刃口曲線根據(jù)球銑刀的對(duì)稱性可求出，在此不再列出。設(shè) R=5 mm，H=20 mm，β=30°，刃口曲線如圖 3所示，呈現(xiàn)明顯的S形，其中左圖為刃口曲線主視圖，右圖為刃口曲線俯視圖。

圖3 刃口曲線

3 后刀面數(shù)學(xué)模型

采用圓柱砂輪邊緣刃磨球銑刀后刀面，后刀面成形原理如圖4所示。其中，O—XYZ為球頭立銑刀結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系；O3—X3Y3Z3為坐標(biāo)系O—XYZ繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度φ后形成的坐標(biāo)系；O4—X4Y4Z4為坐標(biāo)系 O3—X3Y3Z3繞Y3軸旋轉(zhuǎn)角度λ后形成的坐標(biāo)系，此時(shí)砂輪剛好與球面相切于P點(diǎn)。為能刃磨到P點(diǎn)，此時(shí)銑刀坐標(biāo)系已繞Z軸和Y3軸分別旋轉(zhuǎn)了角度φ和λ。后刀面與砂輪邊緣接觸線在坐標(biāo)系O4—X4Y4Z4中可表示為（2）式。

圖4 后刀面刃磨示意圖

將其轉(zhuǎn)化到坐標(biāo)系O3—X3Y3Z3中，得到（3）式。

在球銑刀結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系O—XYZ中后刀面可表示為（4）式。

式（2）中，α為銑刀球面刃后角，lα為后刀面直紋線MN上任意磨削點(diǎn)距刃口曲線的距離，0≤lα≤d，d為后刀面寬度。聯(lián)立（2）、（3）、（4）式可得第一后刀面方程，見(jiàn)（5）式。

球銑刀兩部分后刀面關(guān)于軸線對(duì)稱，另半部分后刀面為式（6）。

設(shè) R=5 mm，H=20 mm，β=30°，d=0.5 mm，α=15°，所得后刀面如圖5所示。

圖5 球銑刀第一后刀面

通過(guò)球銑刀第一后刀面的仿真圖可以看出，圖形與球銑刀第一后刀面的實(shí)際形狀吻合，說(shuō)明所建立的第一后刀面數(shù)學(xué)模型正確。

4 結(jié)論

在參考球頭銑刀數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了適合三并聯(lián)萬(wàn)向節(jié)數(shù)控磨床運(yùn)動(dòng)特性的球銑刀刃口曲線和第一后刀面數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)matlab仿真驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，為后續(xù)刃磨程序的編寫(xiě)做好基礎(chǔ)。