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摘 要:螺纹的加工方法有很多,但对于变导程螺纹加工始终存在一些问题,研究这类螺纹的铣削加工显得特别有意义。本文探讨了利用四轴联动加工中心进行变导程螺纹的铣削的加工及编程方法,通过仿真可以发现,它能较好地解决变导程螺纹的加工问题,且加工质量好、效率高,可解决部分企业的加工难题。
关键词:变导程螺纹 四轴联动 数控铣削
中图分类号:TG519 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)04(b)-0063-02
1 变导程螺纹的数控铣削
随着对机械结构功能要求的不断提高,对一些零件的结构也提出了很高的要求。变导程丝杠就是其中的一个代表,变导程螺纹的应用十分广泛,如饮料罐装机械,在饮料灌装过程中,需要将包装容器定时定距平稳地输送到包装工位,完成这一要求的装置称为定距分隔定时供给装置,这样就可实现依次定距供送容器的目的,其主传动部分就是变导程螺旋杆。除此之外变导程螺纹在航空传输机械、塑料挤压机械、饲料机械、船舶上的变导程螺旋桨、高速离心泵上的变导程诱导轮、变导程螺旋桨动力装置以及汽车前转向悬挂上的变导程弹簧减振器等方面都有关键的应用。
但是,如何精密加工出变导程丝杠却一直没能很好地解决,传统的加工方法通常有两类:一是在铣床上采用手工加工的方法完成,精度低、劳动强度大、效率低,且经常出现废品;二是在卧式车床进给系统中增设一套辅助装置(凸轮变速机构)实现变速加工,虽然能保证精度,但所需技术难度较大,设计成本较高,调变距增量较麻烦,且不利于推广应用。后来人们采用数控车削方法加工变导程螺纹,加工效率和质量有所提高。
随着数控加工技术的发展,特别是四轴联动的数控加工中心出现后,我们可以尝试用铣削的加工方式加工变导程螺纹。
2 变导程螺纹的四轴铣削原理
2.1 变导程螺旋表面的形成
任何一种线性表面,都是由一根母线沿着导线运动而形成的,变导程螺旋面也不例外。变导程螺旋面的形成原理见表1。
2.2 成形运动
实际上在数控加工中心上铣削螺纹和在普通铣床上铣削螺纹的原理是一样的,只是普通铣床上工件的复合运动是靠手工方式来完成的,而在数控加工中心上,则是由数控系统保证的。以立式加工中心为例,外螺纹的四轴铣削原理如图1所示,工件水平放置,通过对刀使刀具中心线与工件中心线处在同一平面内相互垂直。主运动为铣刀旋转。进给运动为工件的旋转运动和直线运动合成的变导程螺旋运动,通过数控系统提供两个分运动的合成,其对螺旋面的形成起着至关重要的作用,在加工中心上,回转台提供工件的转动,工作台带动转台及工件作直线运动。
3 变导程螺纹铣削编程
3.1 编程原理
一条倾斜直线或直角三角形绕在圆柱面上,就形成了螺旋线,其导程是定值。据此我们先根据变导程螺纹绘制一条不同倾角的直线构成的折线,根据这条折线可以形成一刀具路径。将此刀具路径绕一直径的圆柱旋转就得到变导程螺纹的四轴联动刀具路径。
3.2 实例
现结合螺纹外径70mm,导程分别为50mm、60mm、70mm,每段螺纹的圈数为1的变导程螺纹铣削加工实例说明变导程螺纹铣削的编程方法。
机床:选用南通机床厂生产的VMC850立式加工中心。
回转台:台湾潭兴数控回转工作台VRNC125。
编程软件:Master CAM Ⅹ。
(1)绘图。
先绘制三长方形,长度为:L=π×D×n=π×70×1=219.911mm
D——螺纹外径
n——螺纹圈数
宽度为:B=T×n
T——螺纹导程
B1=50mm,B2=60mm,B3=70mm
(2)刀具路径生成。
选择四轴联动加工中心机床,选择外形铣削加工模组,串接刀具路径,串接方向如图2所示。
按螺纹的轴向截面形状选取刀具,并设置刀具参数及外形铣削参数。
在刀具选项框中选中“旋转轴”按钮,用置换轴法生成螺纹刀具路径。
(3)后置处理生成加工程序。
选择GENERIC FANUC 4X MILL.PST后置处理程序,生成数控加工程序。
4 加工仿真
对于数控加工,VERICUT是一款强大且容易使用的仿真软件。VERICUT能验证刀具轨迹的精度,并能确保经验证的部分达到设计标准。
4.1 构建四轴联动仿真机床
通过VERICUT软件的Machine Simulation系统,建立机床运动学模型,设置床身至刀具之间的机床组件树(如图2所示),系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改,以满足定制要求。
如果要求仿真时能观察机床的实际运行过程,可根据南通VMC850机床的型号、功能、结构形式和尺寸、机床的运动原理、各坐标轴的行程、刀库和夹具等,先用SolidWorks建立加工中心各个运动部件和床身、刀库、机床防护罩等固定部件的实体几何模型,再将所完成的加工中心模块的零件转存成为VERICUT能识别的STL文件。在建立机床组件树过程中或建立后,利用建模模块导入,并设定其初始位置,建立起机床几何模型。
4.2 仿真加工过程
(1)添加毛坯。
根据车削后的毛坯尺寸用CAD/CAM软件建立模型,而后转换成VERICUT能识别的STL格式,再导入VERICUT,调整其位置,使轴中心线与X轴重合,零点位置与MasterCAM编程时的零点位置一致。
(2)建立刀具。
建立一把錐度铣刀,并设定其高度、刃长、刀柄直径等参数。
(3)调用数控程序。
添加由MasterCAM所生成的NC代码程序。
(4)设置机床控制系统。
选择genericm.ctl(mill)系统文件。
(5)定义程序原点。
球刀的基准点为球头顶点,与MasterCAM NC代码程序中设定的刀具参考点一致,在此定义程序原点为工件零点。
(6)运行仿真。
运行加工仿真,结果如图3所示。
4.3 仿真结果分析
在项目树中添加设计模型,而后进行仿真结果分析。
(1)过切检测。
设定0.1mm的过切检测量,运行自动检测,结果如图4所示。可以看出没有过切现象发生。
(2)余量检测。
设定极小残留0.1mm,运行残留余量自动检测,结果如图5所示。可以看出在外圆上有约0.1mm的残留余量,这些较小的残留余量可在磨削时得以去除。
5 结语
削螺纹是螺纹加工新的工艺方法,与传统螺纹加工相比在精度、效率和表面质量等方面具有显著优势。通过虚拟加工知道:在实际生产中用四轴联动的方法加工变导程螺纹是可行的,能解决变导程螺纹加工的难题。
参考文献
[1] 谭立新,龚进,刘迎春.五轴数控旋风铣削机床加工螺纹的误差补偿研究[J].机床与液压,2007.
[2] 艾贵洪.VERICUT数控加工仿真应用教程[M].北京:北京新吉泰软件有限公司,2007.
[3] 牟小云.基于VERICUT的数控机床建模技术[J].现代制造技术与装备,2008.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词:变导程螺纹 四轴联动 数控铣削
中图分类号:TG519 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)04(b)-0063-02
1 变导程螺纹的数控铣削
随着对机械结构功能要求的不断提高,对一些零件的结构也提出了很高的要求。变导程丝杠就是其中的一个代表,变导程螺纹的应用十分广泛,如饮料罐装机械,在饮料灌装过程中,需要将包装容器定时定距平稳地输送到包装工位,完成这一要求的装置称为定距分隔定时供给装置,这样就可实现依次定距供送容器的目的,其主传动部分就是变导程螺旋杆。除此之外变导程螺纹在航空传输机械、塑料挤压机械、饲料机械、船舶上的变导程螺旋桨、高速离心泵上的变导程诱导轮、变导程螺旋桨动力装置以及汽车前转向悬挂上的变导程弹簧减振器等方面都有关键的应用。
但是,如何精密加工出变导程丝杠却一直没能很好地解决,传统的加工方法通常有两类:一是在铣床上采用手工加工的方法完成,精度低、劳动强度大、效率低,且经常出现废品;二是在卧式车床进给系统中增设一套辅助装置(凸轮变速机构)实现变速加工,虽然能保证精度,但所需技术难度较大,设计成本较高,调变距增量较麻烦,且不利于推广应用。后来人们采用数控车削方法加工变导程螺纹,加工效率和质量有所提高。
随着数控加工技术的发展,特别是四轴联动的数控加工中心出现后,我们可以尝试用铣削的加工方式加工变导程螺纹。
2 变导程螺纹的四轴铣削原理
2.1 变导程螺旋表面的形成
任何一种线性表面,都是由一根母线沿着导线运动而形成的,变导程螺旋面也不例外。变导程螺旋面的形成原理见表1。
2.2 成形运动
实际上在数控加工中心上铣削螺纹和在普通铣床上铣削螺纹的原理是一样的,只是普通铣床上工件的复合运动是靠手工方式来完成的,而在数控加工中心上,则是由数控系统保证的。以立式加工中心为例,外螺纹的四轴铣削原理如图1所示,工件水平放置,通过对刀使刀具中心线与工件中心线处在同一平面内相互垂直。主运动为铣刀旋转。进给运动为工件的旋转运动和直线运动合成的变导程螺旋运动,通过数控系统提供两个分运动的合成,其对螺旋面的形成起着至关重要的作用,在加工中心上,回转台提供工件的转动,工作台带动转台及工件作直线运动。
3 变导程螺纹铣削编程
3.1 编程原理
一条倾斜直线或直角三角形绕在圆柱面上,就形成了螺旋线,其导程是定值。据此我们先根据变导程螺纹绘制一条不同倾角的直线构成的折线,根据这条折线可以形成一刀具路径。将此刀具路径绕一直径的圆柱旋转就得到变导程螺纹的四轴联动刀具路径。
3.2 实例
现结合螺纹外径70mm,导程分别为50mm、60mm、70mm,每段螺纹的圈数为1的变导程螺纹铣削加工实例说明变导程螺纹铣削的编程方法。
机床:选用南通机床厂生产的VMC850立式加工中心。
回转台:台湾潭兴数控回转工作台VRNC125。
编程软件:Master CAM Ⅹ。
(1)绘图。
先绘制三长方形,长度为:L=π×D×n=π×70×1=219.911mm
D——螺纹外径
n——螺纹圈数
宽度为:B=T×n
T——螺纹导程
B1=50mm,B2=60mm,B3=70mm
(2)刀具路径生成。
选择四轴联动加工中心机床,选择外形铣削加工模组,串接刀具路径,串接方向如图2所示。
按螺纹的轴向截面形状选取刀具,并设置刀具参数及外形铣削参数。
在刀具选项框中选中“旋转轴”按钮,用置换轴法生成螺纹刀具路径。
(3)后置处理生成加工程序。
选择GENERIC FANUC 4X MILL.PST后置处理程序,生成数控加工程序。
4 加工仿真
对于数控加工,VERICUT是一款强大且容易使用的仿真软件。VERICUT能验证刀具轨迹的精度,并能确保经验证的部分达到设计标准。
4.1 构建四轴联动仿真机床
通过VERICUT软件的Machine Simulation系统,建立机床运动学模型,设置床身至刀具之间的机床组件树(如图2所示),系统提供部分控制文件库供使用者调用或修改,以满足定制要求。
如果要求仿真时能观察机床的实际运行过程,可根据南通VMC850机床的型号、功能、结构形式和尺寸、机床的运动原理、各坐标轴的行程、刀库和夹具等,先用SolidWorks建立加工中心各个运动部件和床身、刀库、机床防护罩等固定部件的实体几何模型,再将所完成的加工中心模块的零件转存成为VERICUT能识别的STL文件。在建立机床组件树过程中或建立后,利用建模模块导入,并设定其初始位置,建立起机床几何模型。
4.2 仿真加工过程
(1)添加毛坯。
根据车削后的毛坯尺寸用CAD/CAM软件建立模型,而后转换成VERICUT能识别的STL格式,再导入VERICUT,调整其位置,使轴中心线与X轴重合,零点位置与MasterCAM编程时的零点位置一致。
(2)建立刀具。
建立一把錐度铣刀,并设定其高度、刃长、刀柄直径等参数。
(3)调用数控程序。
添加由MasterCAM所生成的NC代码程序。
(4)设置机床控制系统。
选择genericm.ctl(mill)系统文件。
(5)定义程序原点。
球刀的基准点为球头顶点,与MasterCAM NC代码程序中设定的刀具参考点一致,在此定义程序原点为工件零点。
(6)运行仿真。
运行加工仿真,结果如图3所示。
4.3 仿真结果分析
在项目树中添加设计模型,而后进行仿真结果分析。
(1)过切检测。
设定0.1mm的过切检测量,运行自动检测,结果如图4所示。可以看出没有过切现象发生。
(2)余量检测。
设定极小残留0.1mm,运行残留余量自动检测,结果如图5所示。可以看出在外圆上有约0.1mm的残留余量,这些较小的残留余量可在磨削时得以去除。
5 结语
削螺纹是螺纹加工新的工艺方法,与传统螺纹加工相比在精度、效率和表面质量等方面具有显著优势。通过虚拟加工知道:在实际生产中用四轴联动的方法加工变导程螺纹是可行的,能解决变导程螺纹加工的难题。
参考文献
[1] 谭立新,龚进,刘迎春.五轴数控旋风铣削机床加工螺纹的误差补偿研究[J].机床与液压,2007.
[2] 艾贵洪.VERICUT数控加工仿真应用教程[M].北京:北京新吉泰软件有限公司,2007.
[3] 牟小云.基于VERICUT的数控机床建模技术[J].现代制造技术与装备,2008.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文