球形曲面的數控加工思考范文

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球形曲面是最基本的曲面之一，如球面閥、滾珠和相應的球面槽等零件都有這樣的輪廓。而球面的加工既要保證精度和表面粗糙度要求，又要經濟合理，因此合理的確定走刀路線非常重要，而在實際的生產過程中，操作者常是根據經驗或試加工來確定步長保證零件的加工精度。因此，合理的確定走刀步長是曲面加工中要解決的一個重要問題。很多學者在自由曲面的加工中對步長的控制提出各種算法，如參數線加工方法、截面線加工方法、導動面法等。其中的一種算法為等殘留高度，而在這些算法都是通過編程軟件來生成刀具的路徑，然后自動生成數控加工程序，對編程者的軟件操作和數學知識要求較高。因此本文探索利用三坐標銑床加工球面，用手工編程來實現基于等殘留高度的球面宏程序的編制方法。為有效的保證球形曲面類零件的加工質量和提高加工效率，具有重要的實際意義。

1球形曲面殘留高度的計算

本文研究球頭銑刀精加工球形曲面時殘留高度的大小，如圖1所示，球面半徑為R，球頭刀半徑為r，當采用等角度加工時，刀具切削一圈，加工弧長遞增圓心角為θ，則H即為殘留高度值。由上式可知，當球形曲面半徑R確定時，加工的殘留高度由球頭刀半徑r和步進角θ決定。因此要合理的選擇球頭刀半徑r和步進角θ的大小，保證零件加工殘留高度在精度范圍內。另外殘留高度受球頭銑刀刀具行間相位差影響也較大，相位差由刀具的齒數和每齒進給量決定。而在刀具齒數選定的情況下，在如圖1的球形曲面加工中，進給量的控制要求也是一個變化的值，給編程帶來一定的難度。那么在選定刀具的情況下，步進角的控制就直接影響零件加工的殘留高度。所以，在殘留高度確定的情況下，如何選擇步進角的大小至關重要。

2表面粗糙度和殘留高度的關系

影響表面粗糙度的因素可以分成為幾何因素和非幾何因素。幾何因素主要包括:刀具半徑R、刀具每轉進給量、行間距S等。影響粗糙度的非幾何因素包括:積屑瘤、鱗刺、振動、切削刃的刃磨質量、工件材料組織的缺陷、切削液的使用情況等。在精加工時，非幾何因素影響較小，可忽略不計，而幾何因素是影響精加工表面粗糙度的主要因素。殘留高度是指刀具兩行間的殘留量。在幾何因素中，銑削殘留高度決定了銑削表面粗糙度的大小。在精加工時，因此一般通過控制銑削殘留高度的大小來控制表面粗糙度，從而控制零件表面加工質量。

3加工示例

本示例以簡單的半球曲面精加工為例，如圖2所示。刀具采用8球頭銑刀，用殘留高度控制刀具的進給路徑，以達到在滿足加工精度的前提下減小走刀路線。

3．1加工方法用三坐標機床加工曲面屬于近似加工，常用的加工方法有等高線編程方法，而等高線加工存在加工路線長，空行程多，在停刀處有駐刀痕等問題。現在比較高效、高精度的數控走刀方式應該是螺旋式走刀方式［6］，進行連續進給切削，同時控制三個坐標軸的運動，走刀和下刀同時進行，改變以往等高線加工下刀和走刀分開的現象，此時就不存在每一次走刀都需要切入和切出，浪費走刀路線的問題。本文探索采用連續進給加工。一種方法是數控系統具有的變徑螺旋插補功能，另一種方法是采用極坐標連續進給的編程方法，本文對比兩種方法，“自上而下”對半球進行連續加工。

3．2編程思路根據零件表面粗糙度Ra要求獲得殘留高度H值，然后計算刀具每繞著球面轉一圈進給的角度θ，即步進角θ，使刀具沿著球面進行螺旋插補。

3．3加工程序方法一:采用極坐標連續進給的編程方法。將球心作為零件加工原點基于FANUC-0i數控系統進行程序編制，程序中各變量含義如表1所示。

3．4刀具路徑軌跡采用數控仿真軟模擬刀具路徑軌跡及加工出的零件如下(為了刀路顯示清楚，增大了步進角的刀路)，說明編制的宏程序正確，可以實現循環，刀具路徑軌跡如圖3所示。方法二:采用數控系統具有變螺距螺旋插補功能，但在一個螺距內的半徑必須保持不變，這樣在改變半徑時就會出現折線。

3．5結果分析本文探討的連續進給編程路徑連貫，不會出現陡然的轉折，可有效保證零件的加工質量。并根據零件表面粗糙度要求計算步進角的大小，在滿足零件的表面粗糙度要求的前提下刀路最短。

4結論

本文推導出球形曲面的殘留高度公式，加工的殘留高度受球頭刀半徑和每齒進給量和步進角影響。在刀具選定的條件下，選擇合適步進角，節省走刀路線，減小數控系統的計算量，又能保證零件的加工質量在精度要求范圍內，提高零件的加工效率具有重要的現實意義。為三坐標機床加工球形曲面的數控宏程序的設計提供編程方法和策略。對于曲率半徑變化不大的曲面，可近似利用球形曲面的殘留高度計算方法，在編制數控加工程序時，可采用用圓弧段逼近曲面形狀，采用極坐標編程方法。因此該方法具有很好的推廣價值。

作者：西慶坤 單位：四川工程職業技術學院 機電工程系