探究三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽技術(shù)

黃小科

摘 要：三軸數(shù)控銑床是一種在X、Y、Z或左右、前后、上下同時(shí)聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)加工設(shè)備，其目前在機(jī)械零部件加工中的應(yīng)用非常廣泛。該文介紹的是一種三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽技術(shù)，即：通過(guò)用萬(wàn)能分度頭與X軸掛輪，以使工件圍繞X軸旋轉(zhuǎn)，從而加工完成高精度的圓錐螺旋槽，是一項(xiàng)應(yīng)用效果好、經(jīng)濟(jì)效益好及可行性高的技術(shù)。

關(guān)鍵詞：三軸數(shù)控銑床 圓錐螺旋槽 萬(wàn)能分度頭 掛輪比

中圖分類(lèi)號(hào)：TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（a）-0098-02

Abstract：Three axis nc milling machine is a X， Y， Z， or left and right， front and back， up and down at the same time of automatic processing equipment， its wide application in the mechanical parts processing. Is introduced in this paper a three-axis linkage CNC conical spiral flute milling machine machining， namely： by using the universal index head hang round with the X axis， so that the workpiece revolves around the X axis， thus finish high precision conical spiral groove processing， is a good application effect， good economic benefit and feasibility of high technology.

Key Words：Three axis nc milling machine；Taper spiral groove；Universal dividing head；Hanging round than

通常而言，圓錐螺旋槽類(lèi)工件至少要選用四軸數(shù)控銑床進(jìn)行加工。但從機(jī)械加工企業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，三軸數(shù)控機(jī)床的使用仍最普遍，即其常用來(lái)加工X、Y軸在0°～180°范圍內(nèi)任一角度的曲面，可見(jiàn)其加工范圍有限。為了在不另購(gòu)多軸加工機(jī)床的情況下順利加工圓錐螺旋槽類(lèi)工件，該文在現(xiàn)有機(jī)床的基礎(chǔ)上，采用輔助工藝來(lái)加工工件。

1 加工工具的選用

圖1所示是一種圓錐螺旋槽類(lèi)工件。

針對(duì)圖1所示圓錐螺旋槽類(lèi)工件，在三軸數(shù)控銑床加工中，主要的加工工具包括數(shù)控銑床、萬(wàn)能分度頭和刀具等，具體應(yīng)按圓錐螺旋槽的加工要求來(lái)選型。

1.1 數(shù)控機(jī)床的選型

在圓錐螺旋槽加工中，數(shù)控銑床的選型最為關(guān)鍵，通常要求選用工作臺(tái)一側(cè)方便安裝掛輪的機(jī)床，如XK6325B型數(shù)控?fù)u臂銑床，注意所選機(jī)型不得設(shè)有防護(hù)擋板。

1.2 萬(wàn)能分度頭的選用

萬(wàn)能分度頭是一種安裝在銑床上并用來(lái)等分（2～210等分）工件的精密附件，其工作原理如下：選用分度刻度環(huán)、游標(biāo)、分度盤(pán)、定位銷(xiāo)及交換齒輪，將卡在卡盤(pán)上或頂尖間的工件按任意角度劃分；利用形狀不一的刀具，輔助機(jī)床加工螺旋正齒輪、正齒輪、溝槽及阿基米德螺線凸輪等；萬(wàn)能分度頭設(shè)有圓形工作臺(tái)，通常可直接將工件固定在工作臺(tái)上或用夾具緊固，從而實(shí)現(xiàn)多方位加工工件。據(jù)此，在選擇萬(wàn)能分度頭時(shí)，應(yīng)注意如下要點(diǎn)：一是萬(wàn)能分度頭與尾座頂尖中心的高度應(yīng)保持一致，同時(shí)底部分設(shè)2塊定位塊，其與工作臺(tái)的槽口應(yīng)保持一致，從而保證工件在X軸上的平行度；二是尾座頂尖盡量帶有軸承，并用三爪卡盤(pán)來(lái)替代分度頭的頂尖。

1.3 刀具的選用

根據(jù)銑床上圓錐螺旋槽的加工軌跡，工件轉(zhuǎn)一周的導(dǎo)程與銑刀在軸線上的移動(dòng)距離相等，因此在同一螺旋槽上，任意一處螺旋線的導(dǎo)程相等。通常而言，可用下列方程式來(lái)描述螺旋角β：

其中，PZ為導(dǎo)程；D為直徑。據(jù)此，在導(dǎo)程PZ一定的情況下，螺旋角β與直徑D呈正相關(guān)。因此，在同一螺旋槽上，不同直徑D對(duì)應(yīng)的螺旋角不等，同時(shí)在同一截面上，不同螺旋角β對(duì)應(yīng)的切線方向不同，則易在加工時(shí)出現(xiàn)“干涉”現(xiàn)象，即在切削時(shí)，切除本應(yīng)保留的部分，使螺旋槽截面形狀出現(xiàn)偏差。螺旋線屬于曲線，則在銑刀旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，一旦齒刃的旋轉(zhuǎn)表面偏離螺旋線，便會(huì)出現(xiàn)“干涉”現(xiàn)象，且若選用三面刃銑刀，不僅銑大槽口，還會(huì)加劇“干涉”現(xiàn)象。綜上，在三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽中，建議選用寬度比螺旋槽槽寬窄的立銑刀。

2 掛輪比計(jì)算

在銑床上，螺旋槽的銑削要求銑刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及工件在工作臺(tái)的帶動(dòng)下縱向進(jìn)給，同時(shí)保持工件轉(zhuǎn)動(dòng)的勻速狀態(tài)。從工作臺(tái)與工件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系上可知，當(dāng)工作臺(tái)每次勻速移動(dòng)的距離與工件導(dǎo)程PZ相等時(shí)，工件同時(shí)也應(yīng)勻速旋轉(zhuǎn)一周。為了滿足這一要求，通常需在分度頭上裝夾工件，并用交換齒輪來(lái)將分度頭的軸線旋轉(zhuǎn)及工作臺(tái)的水平運(yùn)行聯(lián)系在一起。在上述過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)控交換齒輪的速比，具體計(jì)算方程式如下：

3 三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽

綜上分析，三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽的工藝步驟可簡(jiǎn)單做如下歸納。

3.1 工件緊固

工件緊固是三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽的首要步驟，即：先將圖1所示圓錐螺旋槽類(lèi)工件的大頭用萬(wàn)能分度頭的卡盤(pán)卡緊，再用尾座頂尖將另一頭頂緊，其中工件的大頭是Φ50 mm圓，而另一頭是Φ6 mm圓錐孔。

3.2 數(shù)值校正

為了保證工件的加工精度，應(yīng)選用專(zhuān)業(yè)的儀器來(lái)依次校正工件的軸線平直度、圓跳動(dòng)度及軸跳動(dòng)度，該文選用的校正儀器是百分表。

3.3 掛輪作業(yè)

掛輪是三軸數(shù)控銑床加工圓錘螺旋槽的核心步驟，其操作流程如下：先在X軸絲杠的任一端裝上100齒主動(dòng)掛輪，再在分度頭的側(cè)軸上裝上24齒被動(dòng)掛輪，最后再在掛輪擋板上裝上中間72齒主動(dòng)掛輪和20齒被動(dòng)掛輪，以使72齒主動(dòng)掛輪嚙入24齒被動(dòng)掛輪及20齒被動(dòng)掛輪嚙入100齒主動(dòng)掛輪。在這一過(guò)程中，要求注意如下事項(xiàng)：一是通過(guò)手輪帶動(dòng)X軸移動(dòng)，并檢查工件的運(yùn)動(dòng)軌跡與零件圖的旋向是否吻合，否則通過(guò)將一個(gè)惰輪加裝在掛輪擋板上，從而調(diào)整工件的運(yùn)動(dòng)軌跡；二是控制好相鄰齒輪間的嚙合間隙，具體做法是在安裝掛輪時(shí)，將一張紙條夾在齒輪的嚙合處。

3.4 設(shè)置加工刀路

為了解決反向間隙誤差的問(wèn)題，圖1所示工件采用單向直線進(jìn)給刀具的加工路徑，通常避免進(jìn)行環(huán)形加工。針對(duì)切屑加工，其主要分為粗、精加工。粗加工的要點(diǎn)包括：一是采用平行銑削，其中刀具選用的是R2.5 mm球刀；二是X、Y軸的進(jìn)給率設(shè)為F350，究其原因?yàn)楣ぜ谛D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生更大的旋向進(jìn)給；三是采用單向切削，且進(jìn)給方向選為從小頭向大頭，因?yàn)閺牡毒叩那邢髁?lái)看，從下向上遠(yuǎn)比從上向下大。精加工的要點(diǎn)包括：一是采用平行銑削，其中刀具選用的是R2 mm球刀，目的是控制工件與刀刃面的摩擦及工件在切削時(shí)的振動(dòng)；二是采用單向切削，以解決反向間隙誤差的問(wèn)題。

3.5 程序加工

程序加工是三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽的重要內(nèi)容，其實(shí)施流程如下：首先，展開(kāi)圓錐螺旋槽，使其形成半圓槽，其中中心線段是工件在展開(kāi)后的輪廓線；其次，將半圓槽繪制成半圓槽曲面；最后，利用UG、MASTER CAM等數(shù)控編程軟件，粗、精加工工件。

4 結(jié)語(yǔ)

在三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽的整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中，需要注意下列控制要點(diǎn)：一是選用工作臺(tái)一側(cè)方便掛輪安裝的數(shù)控銑床、萬(wàn)能分度頭及寬度比螺旋槽槽寬窄的立銑刀；二是準(zhǔn)確計(jì)算出工件的導(dǎo)程和掛輪比，這是提高工件加工精度的重要條件；三是在銑削加工中，嚴(yán)控切削量及優(yōu)化加工工藝，以保證圓錐螺旋槽的加工質(zhì)量滿足實(shí)際使用要求，其中包括表面質(zhì)量、尺寸精度等；四是鑒于三軸數(shù)控銑床加工圓錐螺旋槽技術(shù)的復(fù)雜性，應(yīng)重視對(duì)技術(shù)人員的培養(yǎng)，其中包括專(zhuān)業(yè)技能、輔助技術(shù)及職業(yè)道德等的培養(yǎng)。總體而言，對(duì)于圖1所示圓錐螺旋槽類(lèi)及相似的工件，前文談及的加工技術(shù)完全可在滿足生產(chǎn)成本要求的條件下，保質(zhì)保量完成工件加工任務(wù)。

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