雙頭螺旋槽零件的造型與加工

劉艷申

(陜西工業職業技術學院，陜西咸陽712000)

四軸加工相比三軸加工增加了一個旋轉軸。四軸機床常見的結構形式有轉臺式和擺頭式，其中以轉臺式結構的應用較為廣泛，這類機床通常是在X、Y、Z軸的基礎上增加一個繞著X 軸旋轉(即A 軸)的轉臺。螺旋槽零件是在一個圓柱面上含有螺旋的槽，采用常規的三軸加工無法完成零件加工。針對在圓柱面上有槽以及含有規則或不規則曲面的零件，在實際加工中，通常需要采用四軸聯動的數控加工中心才能實現，其所對應的加工程序需要采用CAD/CAM 軟件來實現自動編程。

1 工藝分析

1.1 雙頭螺旋槽結構分析

圖1 所示雙頭螺旋槽的結構較為復雜，表面質量和精度要求較高。

圖1 雙頭螺旋槽的結構圖

在加工過程中，可先加工含有雙頭螺旋槽一端，之后掉頭加工另一端。對于螺旋槽的加工，可只生成一頭的走刀路線，另一頭可將單頭螺旋槽的加工程序增加一個旋轉180°指令完成另一頭的加工，也可將單頭螺旋槽的走刀路線復制陣列(或旋轉)生成另一頭走刀路線最后一起生成加工程序。在數控加工中心上加工之前，毛坯已經在車床上加工到了(90 ±0.03)mm。

1.2 雙頭螺旋槽數控加工工序卡

表1 中的切削用量為任意設定的值，實際加工時需要根據實際情況重新設定。

表1 雙頭螺旋槽零件數控加工工序卡

2 基于CAXA 制造工程師的雙頭螺旋槽數控加工編程

該零件在加工過程中有一次掉頭過程，在機床上加工時掉頭就需要建立新的工件坐標系，但由于CAXA 制造工程師在做四軸加工編程時只能使用系統坐標系，因此兩端需要單獨做。每一端在畫圖時都需要將系統坐標系作為機床加工時的工件坐標系來使用。特別要注意所使用機床的結構形式，一般都是旋轉臺的形式，但旋轉臺在不同機床上的安裝位置不一樣，有些是安裝在工作臺左端，有些是安裝在右端，這就牽涉到工件坐標系建立在工件左端面還是右端面。一般情況是:旋轉臺安裝在工作臺左端時將工件坐標系建立在工件右端，旋轉臺安裝在工作臺右端時將工件坐標系建立在工件左端。下面以旋轉臺在工作臺右端安裝將工件坐標系建立在工件左端為例介紹螺旋槽的加工。

2.1 螺旋槽加工

2.1.1 緊挨螺旋槽的槽體加工

由于該槽體的公差等級為IT13，因此在加工過程中可以不分粗精加工，需要繪制一條槽體中心線，位置在毛坯表面，利用制造工程師軟件的四軸柱面曲線加工方式即可完成走刀路線的生成。槽加工走刀路線見圖2，槽加工實體仿真見圖3。

圖2 槽體加工走刀路線

圖3 槽體加工實體仿真

2.1.2 螺旋槽粗加工

對于螺旋槽的加工在做自動編程時只需要畫出中心線即可，不需要畫出實體。繪制一個繞著X 軸旋轉、半徑為39 mm、長度為90 mm 的旋轉面，并在旋轉面上繪出雙頭螺旋槽對應的表面中心線，螺旋線公式為(笛卡兒坐標，為了保證螺旋槽切削完全t 的取值范圍最好取稍微大一點，但不能在其他位置出現過切，因此兩端各延伸1/6 圈，t 的取值范圍為－1.047 ～7.327):

x(t)= 30 × t/6.28

y(t)= 39 × cost

z(t)= 39 × sint

結果如圖4 所示。

利用制造工程師多軸加工－四軸柱面曲線加工方式完成一頭螺旋槽粗加工走刀路線(給精加工單邊留下0.2 mm 余量)，之后利用旋轉或者陣列功能生成另一條螺旋槽粗加工走刀路線，如圖5 所示。

圖4 螺旋線

圖5 螺旋槽粗加工走刀路線

2.1.3 螺旋槽精加工

螺旋槽精加工為刀具分別將槽體兩個側面切削一刀完成，利用制造工程師中多軸加工－四軸柱面曲線加工方式生成走刀路線，如圖6 所示。之后設置一個圓柱形毛坯，圓柱形毛坯在設置過程中需要注意旋轉軸及方向，并利用制造工程師軟件的實體仿真功能進行螺旋槽粗精加工的仿真加工，結果如圖7 所示。

圖6 螺旋槽精加工路線

圖7 螺旋槽實體仿真

圖8 槽加工走刀路線

圖9 槽加工實體仿真

這部分是繞著原點的3 個完全相同的特征，在加工過程中只需要生成一個特征的走刀路線，其余的按照圓形陣列方式即可得出。采用三軸加工的方式去加工特征，增加一些輔助坐標系做起來就比較簡單。輔助坐標系在建立時先根據需要畫出兩個相互垂直的相交直線，采用兩相交直線方式生成。走刀路線見圖10，實體仿真見圖11。

圖10 走刀路線

圖11 實體仿真

2.1.6 R4.5 面及2－R2 圓弧倒角加工

制造工程師四軸平切面加工只支持曲面加工，因此需將R4.5 面及2－R2 圓弧倒角的曲面提取出來。利用四軸平切面按照表2 設置環形切削間距。圓弧面走刀路線見圖12，圓弧面實體仿真見圖13。

表2 球刀爬曲面比較合適的最大刀間距 mm

圖12 圓弧面走刀路線

圖13 圓弧面實體仿真

2.1.7 孔加工

孔加工比較簡單，只需要確定幾個參數，包含孔中心X、Y 坐標值、孔口表面Z 坐標值、孔深即可。完全不需要自動編程就可實現。對于孔加工，制造工程師提供的刀具只有鉆頭，因此想做絞孔等其他孔加工只能在制造工程師里用鉆頭替代，生成加工程序后在機床上加工時要安裝合適的刀具。孔加工實體仿真見圖14。

2.1.8 后置處理生成加工程序

利用CAXA 制造工程師的后置處理模塊按照所需機床的系統選擇合適的后置處理文件生成加工程序。

圖14 孔加工實體仿真

3 數控四軸加工中心加工

圖15 為利用CAXA 制造工程師生成的加工程序在大連機床廠生產的VDF-850 四軸加工中心上加工的零件實體。在加工過程中為了追求加工速度，設定的進給量較大，四軸平切面加工中行距設置較大，導致最終工件表面質量較差。

圖15 實際加工結果

4 結束語

隨著數控技術的高速發展，高速切削與多軸加工已經廣泛應用于數控加工行業，CAD/CAM 軟件為高速切削與多軸加工的發展起到了非常重要的作用。四軸加工絕大部分情況下需要采用球頭銑刀，加工效率很低，因此在四軸零件加工過程中要注意盡可能分塊去做，盡可能在普通機床上對毛坯的簡單部分進行初步加工，在數控機床上能用三軸方式的就用三軸方式去加工，這樣不僅可以提高加工效率，還能極大降低零件的加工成本。在做四軸零件建模時，最好將工件坐標系設定好，可以大大節約對刀時間。對于CAXA制造工程師軟件來說，在做走刀路線陣列時一定要選擇“軌跡坐標系陣列”選項;由于缺乏一些刀具系統，因此在做一些加工(比如孔加工)時無法完全按照實際情況去做。

［1］楊明珠．CAXA 制造工程師在數控加工中的應用［J］．機械工程師，2014(1):72－73．

［2］王曉霞，梁國勇，李焱，等．基于CAXA 制造工程師的復雜曲面數控加工［J］．煤礦機械，2013(7):133－135．

［3］周永情，王慶志．基于CAXA 制造工程師和宇龍的復雜曲面仿真加工［J］．煤礦機械，2012(10):117－118．

［4］錢華勇．CAXA 制造工程師軟件在常見曲面造型中的應用［J］．機械工程師，2014(9):142－144．