基于螺旋線銑削大導程滾珠絲杠的應用

撰文/福州大學 林冰香

基于螺旋線銑削大導程滾珠絲杠的應用

撰文/福州大學 林冰香

一、引言

滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉運動轉換成線性運動，或將直線運動轉化為回轉運動，傳動時具有傳動精度高、傳動效率高和傳動可逆性等優點，在各行各業中得到廣泛地應用。它存在導程大、螺紋升角大、切削余量深以及表面光潔度要求高等加工特點在生產中始終是一個加工難點。圖1所示是某紙箱包裝廠委托我院實訓中心加工的滾珠絲杠零件圖，它導程為40mm，螺旋線數量為2的雙頭絲杠，鋼球直徑為φ18mm。企業在生產中若用數控車床加工在加工過程中易產生振動、斷刀及亂扣等現象。同時存在編程困難、對操作者的技術要求高、生產效率低和勞動強度大等問題。本文運用NX軟件造型，PowerMILL軟件編制加工程序，運用XD-40型四軸四聯動的數控銑床回轉工作臺加工，很好的解決了這一加工難題。

二、滾珠絲杠的加工工藝分析

圖1所示的滾珠絲杠加工材料為45鋼，在車床上控制好外圓、零件總長的尺寸精度及打端面中心孔后，螺旋槽在四軸四聯動的數控銑床回轉工作臺上銑削。為確保零件的加工剛性，擬采用一夾一項的裝夾方式。螺旋槽截面形狀為R9的半圓，加工深度深，切削余量大，為保證零件的加工精度，提高刀具的使用壽命，借鑒普通車床加工梯形螺紋采用的直進法、左右切削法等加工方法生成刀具運動軌跡。其工藝編排如下。

圖1滾珠絲杠零件圖

（1）用φ8R1的圓鼻刀開粗，銑削中間區域，直徑方向留0.2mm精加工余量，如圖2所示。

圖2

（2）用φ8R1的圓鼻刀開粗，銑削左側區域，左側區域留0.2mm精加工余量，如圖3所示。

圖3

（3）用φ8R1的圓鼻刀開粗，銑削右側區域，右側區域留0.2mm精加工余量，如圖4所示。

圖4

（4）用R5球頭刀精加工銑削半圓形螺旋槽至尺寸，如圖5所示。

圖5

三、滾珠絲杠加工模型的建立

建模步驟：生成回轉體—畫螺旋線—畫截面線—掃掠除料—畫截面線—已掃掠曲面—偏置曲面—曲面求交獲得螺旋曲線—退出NX軟件。

具體操作如下。

（1）啟動NX4.0軟件，進入建模的模式。

（2）選擇“插入”—“設計特征”—“回轉”命令，系統彈出“回轉”對話框。

（3）單擊“草圖剖面”，選擇“XC—YC平面”，單擊確定按鈕，進入草繪模式繪制圖1所示的圓柱形外輪廓，單擊“完成草圖”，如圖6所示，單擊“確定按鈕”。

圖6繪制回轉圓柱體

（4）選擇“插入”—“曲線”—“螺旋”命令，彈出螺旋線參數對話框，設置相應參數，創建第一條螺旋線，運用“點構造器”功能創建第二條螺旋線，如圖7所示。

圖7創建螺旋線

（5）分別繪制兩個直徑為φ18的圓（過程略）。選擇“插入”—“掃掠”—“沿導引線掃掠”命令，選擇剖面線串為直徑φ18的圓1，引導線串為繪制的螺旋線1，單擊“確定”按鈕，選擇布爾操作“求差”命令，生成圖8所示的第一條螺旋槽，相同方法生成第二條螺旋槽。

圖8 螺旋槽效果圖

（6）繪制剖面線串1，過程略。選擇“插入”—“掃掠”—“已掃掠”命令，選擇螺旋線1作為引導線串，再選擇剖面線串1，生成圖9所示的掃掠曲面。

圖9 掃掠曲面

（7）選擇“插入”—“偏置”—“偏置曲面”命令，將圖9生成的掃掠曲面向左偏移8次，每次偏移距離1mm（左邊粗加工分層銑削用）。再向右偏移8次，每次偏移距離1mm（右邊粗加工分層銑削用），共16次。選擇“插入”—“來自實體集的曲線”—“求交”命令，用偏移的曲面與螺旋槽求交獲得求交曲線。如圖10所示。

圖10 粗加工求交曲線

（8）按照精加工時R5球頭刀在X向每次偏移0.3mm的加工思路，重復7的步驟，將掃掠曲面向左、向右各偏移30次，掃掠曲面與螺旋槽求交的曲線作為精加工用，如圖11所示。

圖11 精加工求交曲線

（9）保存文檔，退出NX軟件。

四、生成四軸加工軌跡

生成加工軌跡步驟：導入零件圖—創建工件坐標系—創建毛坯—生成參考線—螺旋槽中間粗加工—復制變換加工軌跡—螺旋槽左側粗加工—螺旋槽右側粗加工—螺旋槽精加工—復制變換加工軌跡。具體操作如下。

（1）啟動PowerMILL10.0軟件，導入滾珠絲杠圖檔。

（2）創建用戶坐標系。

坐標系建立在工件左端面與回轉中心線上（四軸回轉工作臺安裝在右手邊）。由于在“PowerMILL”系統中創建圓柱毛坯時，是以Z軸為圓柱的軸線，這就要求模型的軸線與世界坐標系的Z軸重合。本文加工滾珠絲杠運用的是XD-40型立式四軸聯動數控銑床，在加工時又要求模型的軸線與機床的X軸平行。解決這個矛盾的辦法是，使用世界坐標系來創建毛坯，用戶坐標系編程。

右鍵單擊瀏覽器上的“用戶坐標系”在彈出的“用戶坐標系”菜單中選擇“產生用戶坐標系”，彈出用戶坐標系對話框，在“激活用戶坐標系”下拉菜單中選中“1”，按圖12所示設置，完成用戶坐標系與世界坐標系位置關系的調整。

圖12 調整用戶坐標系

（3）定義毛坯。單擊工具欄“毛坯”按鈕，在彈出的毛坯參數對話框設置相應參數，如圖13所示。其中Z的最小值與最大值分別設置為“40”與“290”，分別表示螺旋槽的起點與終點。毛坯顯示效果如圖12陰影所示。

圖13 定義毛坯

（4）產生參考線。右鍵單擊資源管理器中的“參考線”，選擇“產生參考線”，單擊插入圖8生成的“螺旋線1”，產生了粗加工參考線“1”。同樣用圖10、圖11獲得的求交曲線分別生成左邊粗加工參考線“2”、右邊粗加工參考線“3”及輪廓精加工參考線“4”，如圖14、圖15、圖16所示。

圖14 粗加工參考線

圖15 左、右粗加工參考線

圖16 精加工參考線

（5）設置粗加工刀具路徑參數。在PowerMILL綜合工具欄中，單擊“刀具路徑策略”按鈕，選擇“精加工”選項卡，選擇“參考線精加工”加工策略，單擊“接受”按鈕，打開“參考線精加工”表格，在參考線的下拉選項中選取創建的參考線“1”，設置完相關參數后，單擊“應用”按鈕，如圖17所示。系統計算出圖17參數設置的粗加工刀具路徑1，單擊“取消”按鈕，關閉“參考線精加工”表格。

圖17 設置刀具路徑參數

（6）變換刀具路徑。右鍵單擊資源管理器中的刀具路徑1，選擇“編輯”—“變換”命令，在彈出的“變換刀具路徑”對話框中設置圖18所示的參數，單擊繞X軸旋轉，單擊接受，完成了刀具路徑的旋轉復制。

圖18 變換刀具路徑

（7）生成左、右邊粗加工刀具路徑。在圖17設置刀具路徑參數的表格中，參考線的下拉選項中分別選取創建的參考線“2”，參考線“3”，設置完相關參數后，單擊“應用”按鈕。如圖19所示。

圖19 粗加工刀具軌跡

（8）按步驟5變換刀具路徑的方法復制變換刀具路徑。效果如圖20所示。

圖20 復制變換刀具軌跡

（9）生成精加工刀具路徑。在圖17設置刀具路徑參數的表格中創建一把R5的球頭刀具，參考線的下拉選項中選取創建的參考線“4”，設置完相關參數后，單擊“應用”按鈕。

（10）按步驟5變換刀具路徑的方法復制變換刀具路徑。效果如圖21所示。

圖21 精加工刀具軌跡

（11）仿真加工、生成加工程序（過程略）。效果如圖22、圖23所示。

圖22 精加工仿真效果圖

圖23 加工程序

五、結語

本文通過銑削一滾珠絲杠的實例，闡述了運用數控回轉工作臺銑削大導程滾珠絲杠創建程序的過程。充分利用軟件各自的優勢，快速生成加工模型及加工程序的編制，其中生成刀具軌跡時借鑒普通車床車削梯形螺紋的加工方法，解決了滾珠絲杠在生產中因導程大、螺旋升角大易對刀具造成損壞等問題。從而提高加工效率，保證了加工表面質量，為加工大導程滾珠絲杠提供了有益的借鑒。