论文导读：麻花钻的容屑槽曲面及后刀面即使用数学表达式描述都相当复杂,而利用现有的商用设计软件(如UG、Pro/E、CATIA等)对其进行图形描述则更为困难。因此,目前常用的CAD/CAM工程软件并不适合对数控磨削加工此类刀具的机床作业进行加工路径生成和仿真模拟,也难以判定数控加工麻花钻时的机床联动轴数。(4)对于要求一次成形但不要求控制前角的异形回转面螺旋刀刃(如球头刀刃、弧形刀刃等)的加工,除满足上述(3)的要求外,还必须增加图1所示的Z向线位移,即通过四轴联动才能满足加工要求,此时对容屑槽深度的变化和后角的控制要求并不十分严格。本文根据麻花钻容屑槽螺旋面的成形原理,阐释了麻花钻磨削成形的过程;分析了砂轮平动型CNC工具磨床和砂轮摆动型CNC工具磨床的运动形式,并与传统的工具磨床进行了比较;给出了确定机床联动轴数目的几何原则;同时说明,按此原则判定的运动轴数并非就是机床加工时的运动轴数,实际需要的运动轴数还应取决于机床的结构型式。
关键词：CNC工具磨床，麻花钻，容屑槽，联动轴数
1 引言
麻花钻的容屑槽曲面及后刀面即使用数学表达式描述都相当复杂,而利用现有的商用设计软件(如UG、Pro/ E、CATIA等)对其进行图形描述则更为困难。因此,目前常用的CAD/ CAM工程软件并不适合对数控磨削加工此类刀具的机床作业进行加工路径生成和仿真模拟,也难以判定数控加工麻花钻时的机床联动轴数。此外,NC工具磨床联动轴数的选取与工件和砂轮的几何要素、加工工艺要求(如刀刃和刀槽分几次成形、有无特殊工艺装备等)以及机床的结构型式有关。本文研究数控加工时机床所用联动轴数的意义在于:①运动轴数越少,相对运动副就越少,机床的运动刚性和运动精度也就越高;②减少运动轴数可简化编程,从而可在配置较低档数控系统的工具磨床上实现对刀具的加工,以降低加工成本;③可为用户根据自身产品进行机床选型和设备投资提供可行性分析的技术依据。
2 CNC工具磨床的基本加工原理
从空间运动学的观点来看,机械加工的过程实质上就是控制每个瞬时刀具几何体相对工件几何体在空间的相对位姿和相对运动趋势的过程[1]。图1给出了锥形砂轮与麻花钻作为工件之间的空间相对位置。
图1 砂轮与工件的空间位置关系
选取砂轮大圆的圆心 和工件轴线上的一点 作为各自实体的参考点,在点建立工件(指被加工刀具体,以下统称工件)的刀刃曲线方程, 为刀刃曲线的参变量;在点建立砂轮的回转面方程, , 为砂轮表面的几何参变量(也包括对砂轮大端面的描述)。当用砂轮磨削工件刀刃时,给出一定的约束条件 , 为约束条件数。则可建立如下方程组:
式中,约束条件式 是根据砂轮回转面方程 与麻花钻工件刀刃曲线方程 的共轭关系以及它们的几何参数建立的,以上关系确定了与 参变量有关的砂轮与麻花钻工件的相对位置(位姿)。然后根据机床的结构运动形式,即可得到反映砂轮与麻花钻工件相对自由度变化的机床运动参数,多轴联动工具磨床就是根据这个理论依据设计的。论文参考。
3 常用CNC工具磨床的类型
尽管多轴联动数控工具磨床的结构型式各不相同,但抛开其复杂的机械结构,仅考虑砂轮与工件之间的相对位置变化,则多轴工具磨床一般可分为两种类型:
图2 平动型CNC工具磨床结构模型
(1)砂轮平动型CNC多联动工具磨床，此类工具磨床包括3个平动轴和2个旋转轴(见图2),除了保证工件绕自身轴线作回转运动外,它们可根据用户的需要任意组合成各种联动方式。
图3 摆动型CNC工具磨床结构模型
(2) 砂轮摆动型CNC多联动工具磨床此类工具磨床也有3个平动轴和2个旋转轴(见图3),工件仍然是绕自身轴线作回转运动,但它的砂轮可作摆动。此类工具磨床也可根据不同的加工要求任意组合联动方式。与传统的摇臂类工具磨床相比,多轴联动工具磨床的传动链较短,结构大大简化,取消了特殊工装等复杂的机械装置;与传统工具磨床采用悬臂式磨头箱相比,CNC工具磨床的磨头采用刚性支撑,其静、动态刚度提高,加工能力、加工范围和灵活性增强,机床调整更为简单,可通过数控系统实现“软调整”。尽管砂轮平动型和摆动型CNC工具磨床机械结构不同,但利用其柔性控制功能可以模拟传统工具磨床的一般复杂运动。从理论上说,只要保证数控加工中每个瞬时砂轮相对工件的位姿和相对运动趋势满足方程式(1),即可加工出相同的刀刃曲线和容屑槽曲面。
4 CNC机床加工麻花钻所需联动轴数目的确定
在用盘形砂轮(碟形、碗形、平行砂轮或盘状成形砂轮)磨削加工麻花钻时,通常采用砂轮的一个端面圆或大圆(碟形、碗形砂轮) 来磨削前刀面槽形,采用砂轮的锥面或外圆柱面来磨削刀具的后刀面,或者采用成形砂轮的表面廓形来包络生成整个螺旋槽面[2]。下面根据几何学原理来讨论选取最少联动轴数的判定原则。
根据文献[3]中的螺旋刀刃曲线方程:  ,可作如下分析:
(1)当 时,工件的刀刃为平面曲线,刀槽为直槽,加工时不需要角运动(图1所示的运动参数A,C)参与联动即可成形。如果 也为常数,采用沿工件轴线(X轴)方向的单轴加工即可;如果是变化的(如锥度直槽、异形直槽等),加工中砂轮相对工件需作沿其轴线和径向的直线运动,即机床需要有X、Z两个方向直线运动的联动功能。为了减少机床联动轴数,可对此类工件的加工配置特殊工装(工件倾斜、采用辅助靠模等),以实现砂轮相对工件径向的距离变化,加工中仍然采用沿工件轴线X方向的单轴加工方式。
(2)当θ变化时, 工件回转面为直纹面(如柱面、锥面等),其上各点的法线方向与工件轴心线的夹角为定值。通过机床轴的旋转(或利用特殊工装),总能使工件的槽底母线平行于刀具的单轴进给方向,从而具有如图1所示的A、X两轴联动,即工件相对于砂轮作绕自身轴线的角运动和沿自身母线方向的直线运动,即可加工出所需的螺旋槽面。对于锥度刀具的加工,这种方法仅适合小锥度(或螺旋槽非一次成形)的情况。然而在实际加工中,由于砂轮不断被磨损,为了保证工件的磨削精度,砂轮的回转轴心线至工件轴心线(两异面直线)的距离以及它们之间的夹角需要不断调整,砂轮廓形也要发生相应的修整变化,且制造商不会局限于仅生产一种产品,因此机床还应具有如图1所示的d1、d2、d3和工件轴线的手动调整功能。
(3)当θ变化时,对于大锥度螺旋刀具、刀具螺旋槽要求一次成形或要求前角可控(前角的变化与图1中砂轮相对工件的Y向距离有关)的情况,除了需要角位移A和线位移X 联动以外,另一个角位移——砂轮回转轴心线与工件回转轴心线的夹角 也要发生实时变化,才能保证刃带宽度或控制前角不发生干涉,因此机床需要有三轴联动功能。论文参考。
(4)对于要求一次成形但不要求控制前角的异形回转面螺旋刀刃(如球头刀刃、弧形刀刃等) 的加工,除满足上述(3)的要求外,还必须增加图1所示的Z向线位移,即通过四轴联动才能满足加工要求,此时对容屑槽深度的变化和后角的控制要求并不十分严格。
(5)对于要求一次成形且前角可控的异形回转面螺旋刀刃的加工,需要利用Y向线位移来调整刀刃前角的大小,因此除满足上述。(4)的要求外,还有必要增加如图1 所示的Y 向线位移,即采用五轴联动才能满足加工要求。为了保证砂轮与工件在加工中的相对位姿要求,不同结构型式机床的砂轮和工件会有不同的运动方式,即在将工件坐标系中的刀位数据转换为机床坐标系下的运动参数时,机床的结构型式起着非常关键的作用。在数据转换中应注意,不同结构型式的机床需要采用的联动轴数也不同,根据几何学原理判定的最少联动轴数不一定就是机床加工时的实际运动轴数。论文参考。在图3所示的砂轮摆动型工具磨床上加工螺旋角为β的一般圆柱螺旋线时,仅需将工件轴A绕摆动中心逆时针摆动≥90°-β,并给定两异面直线(砂轮轴心线和工件轴心线)的距离,即在加工中需要机床的B和Y两轴联动。在图2所示的砂轮平动型工具磨床上加工螺旋角为β的一般圆柱螺旋槽时,需首先根据工件旋向将C轴调整到要求的位置,并保证X轴方向的移动量ΔX和Y轴方向的移动量ΔY始终满足ΔY/ΔX =tanβ的关系,以保证砂轮相对工件轴心线的空间位置保持不变,再加上工件的自转A ,即加工时需要机床的X 、Y、A三轴联动。如果为加工此类刀具而专门改变机床结构,将X 轴移动副导轨置于C轴旋转机构之上,则在加工一般圆柱螺旋槽时,C轴逆时针转过β后,仅需提供X和A两轴联动即可达到加工要求。因此,在进行机床运动结构优化设计时,要充分考虑被加工对象的几何特征。
5 结语
本文根据麻花钻容屑槽螺旋面的成形原理,阐释了麻花钻磨削成形的过程;分析了砂轮平动型CNC工具磨床和砂轮摆动型CNC工具磨床的运动形式,并与传统的工具磨床进行了比较;给出了确定机床联动轴数目的几何原则;同时说明,按此原则判定的运动轴数并非就是机床加工时的运动轴数,实际需要的运动轴数还应取决于机床的结构型式。
参考文献
1 蔡自兴.机器人学.北京:清华大学出版社, 2000
2 姚 斌,吴序堂.螺旋刀具的仿形制造. 工具技术, 1996(5)
3 姚 斌, 毛世民, 聂 钢等.数控加工特种回转面刀具时工艺参数的自动检测建模. 工具技术,2002(11)
4 肖金陵, 周云飞, 李作清.数控万能工具磨床多轴联动加工中的轨迹干涉及其补偿问题. 精密制造与自动化,1996 (2)
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