一種利用車銑復合加工中心進行球面加工的方法

李洪

通用技術集團大連機床有限責任公司 遼寧大連 116620

1 序言

球面加工通常對輪廓精度和表面粗糙度要求比較高，普通加工方式很難得到一個高輪廓精度和高表面質量的球面。球面的常規加工方式主要有車削和銑削，銑削效率比較低，加工精度和表面粗糙度也不高，因此對精度要求高的零件通常不會采用這種加工方式。車削加工效率相比之下要高很多，并且加工精度和表面粗糙度也很好，在沒有專用設備的情況下是比較理想的加工方法。但是車削加工精度受機床精度、數控系統、刀具磨損等諸多因素影響，快速加工一個較高輪廓精度和均勻表面質量的球面也較為困難，因此要想獲得一個高輪廓精度的球面，通常會采用一些專用設備和一些特殊的加工方法。本文主要介紹一種利用帶有西門子五軸功能的車銑復合加工中心機床來加工外球面的方法，這種方法類似于車和銑的復合加工，加工出來的球面表面質量均勻且球面輪廓精度高。

2 原理分析

根據幾何原理可知：當一個球體和一個平面相交時會形成一個截面，其截面交線就是一個圓（見圖1）。平面與球心距離越近，圓的半徑就越大，當球心在平面上時，圓的半徑最大（等于球半徑）。反過來講，任意一個圓都可以被無數個半徑不小于其半徑的球通過。根據這一原理，我們利用銑刀自轉形成的圓去切削回轉的工件，這樣就會加工出一個球體，加工方式如圖2所示。

圖1 截面交線

圖2 加工方式

3 數據計算

從理論上講，一個圓可以被無數個不同半徑的球通過，因此我們在加工一個球時，首先應先確定球的尺寸，然后根據加工球面的范圍確定刀具直徑、刀具旋轉的角度。

球面加工尺寸計算如圖3所示，O為球心，R為球半徑，A點為球的頂點，B點為球終止位置，D為終止處截面圓直徑，L1為球的回轉軸線，β為OB與L1夾角，則直線AB為銑刀回轉直徑，L2為銑刀回轉軸線且過球心，α為刀具旋轉的角度，H為刀具最終下刀位置。推導可得，刀具旋轉角度為

則銑刀半徑r＝Rsinα，下刀位置H＝Rcosα。

4 加工方法

（1）加工設備 本文加工設備采用臥式車銑復合加工中心，機床結構如圖4所示。該加工中心配備西門子840D數控系統，具有RTCP五軸聯動功能和雙通道功能。

（2）加工刀具 采用如圖5所示的套銑刀具。

（3）加工方法 先用車刀車出圓球形狀，留有余量；然后根據圓球尺寸計算出刀具直徑尺寸，并將刀具直徑調整到相應尺寸；將工件坐標系零點設置在球心，旋轉刀具軸，使刀具旋轉到加工角度位置（α）；旋轉工件坐標系，使Z軸與刀具軸平行，定位刀具軸與旋轉后的Z軸重合并定位刀具位置在工件安全高度；啟動五軸功能使刀具處于聯動狀態，旋轉刀具并使工件緩慢旋轉，控制刀具以切削速度沿旋轉后的Z軸方向進刀，直至達到預期加工位置（H），加工完成后使刀具沿進刀軸線返回。

（4）加工程序 加工程序如下。

5 要點說明

1）為保證加工部分的球面完整，刀尖旋轉軌跡必須經過球面頂點，并且刀具回轉中心必須經過球心。

2）加工過程中啟動五軸功能，能夠準確控制刀尖位置，方便編程。

3）到達加工深度后工件應至少旋轉360°，以確保球面加工完整。

6 結束語

利用銑削方法加工球面不僅可以很容易地獲得較好的表面粗糙度和形狀精度，而且車銑復合的特殊機床結構和西門子840D強大的功能，使編程和加工變得更加簡單，不需要制作專用夾具，簡化了加工工藝。