變半徑球面螺旋軌道數(shù)控加工工藝分析

李體仁，高磊，辛?xí)札垼鯁ⅲ瑥埑瑥埰G華

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

弧面凸輪機(jī)構(gòu)適應(yīng)高速重載的工作特性，造就了它在各類食品包裝機(jī)械中舉足輕重的地位，近些年來被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者對其運(yùn)動過程與動力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究[1]。

弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)是蝸輪蝸桿傳動和行星傳動兩種傳動方式的有機(jī)結(jié)合，如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由中心弧面凸輪、外環(huán)面凸輪、行星輪及行星架4部分組成。該傳動機(jī)構(gòu)傳動過程如下：首先動力源由中心弧面凸輪1輸入傳遞給行星架上的行星輪3，然后通過外環(huán)面凸輪1的螺旋面和行星輪的嚙合，將動力傳遞給行星架4，最終將轉(zhuǎn)矩傳遞給其它工作機(jī)。弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)綜合蝸輪蝸桿傳動和行星輪傳動的優(yōu)勢特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳動比與工作效率更高、結(jié)構(gòu)更加緊湊、傳動更加平穩(wěn)，因此,目前被認(rèn)為是機(jī)械傳動的最佳形式[2]。弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)特殊的傳動方式使其機(jī)械結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，加工難度比較大，而且缺少針對性的加工制造工藝與制造技術(shù)，使得該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和加工裝配精度難以保證，從而制約了該傳動方式從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用[3]。

圖1 弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)

本文針對弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件中心弧面凸輪的加工制造過程展開研究，通過對五軸數(shù)控加工工藝的分析，解決弧面凸輪變半徑球面螺旋軌道在加工中出現(xiàn)的欠切現(xiàn)象，為弧面凸輪行星機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 曲面分析

變半徑球面螺旋軌道為圖2所示弧面凸輪行星傳動的關(guān)鍵部分，精度要求較高，該軌道是由行星輪表面的球體帶動凸輪轉(zhuǎn)動在凸輪軸表面形成的運(yùn)動軌跡，軌道面與行星輪上的球體配合呈現(xiàn)出半球面結(jié)構(gòu)。如圖3所示，軌道面是一個半徑變化的螺旋曲面。如圖4所示，這個曲面是一個經(jīng)過裁剪之后的UV曲面，V方向上的曲線裁剪過后出現(xiàn)中斷現(xiàn)象，U方向上的曲線較為均勻連續(xù)。圖5為外弧面凸輪行星傳動機(jī)構(gòu)螺旋軌道面的加工示意圖，從圖中可以看出球面軌道截面是一段優(yōu)弧，這一特殊的結(jié)構(gòu)特征給加工帶來極大的困難。從變半徑球面螺旋軌道面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，使用普通的三軸、四軸加工設(shè)備無法完成曲面的加工，故而需要使用五軸數(shù)控加工設(shè)備對其進(jìn)行加工。

圖2 弧面凸輪行星傳動

圖3 螺旋曲面

圖4 UV 曲面

圖5 曲面加工

2 變半徑球面螺旋軌道加工方案

以下列出兩種變半徑球面螺旋軌道加工方案，方案一采用圖6所示AB雙擺頭五軸加工中心進(jìn)行加工，工件一端裝夾在三爪卡盤上，另一端用頂尖頂緊，在加工時(shí)頂尖、工件、卡盤同時(shí)轉(zhuǎn)動配合B軸的擺動對軌道進(jìn)行加工。方案二采用圖7所示AC雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心進(jìn)行加工，工件裝夾在三爪卡盤上與卡盤一起固定在工作臺上，裝夾時(shí)要求工件、卡盤、工作臺三者軸線重合，在加工時(shí)A軸偏擺到一定角度，主軸到達(dá)指定位置隨后開始加工。

圖6 方案一

圖7 方案二

本文針對使用A-C雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心對變半徑球面螺旋軌道加工的工藝進(jìn)行分析研究。如圖5所示，當(dāng)使用A-C雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心在加工螺旋軌道面內(nèi)凹部分時(shí)，A軸需要擺動較大的角度，由于主軸與工作臺發(fā)生干涉，導(dǎo)致球面螺旋軌道加工時(shí)會出現(xiàn)欠切現(xiàn)象。

3 變半徑球面螺旋軌道欠切問題

加工軌道面時(shí)，如圖8所示A軸轉(zhuǎn)角過大超過最大的安全角度，機(jī)床主軸與工作臺會發(fā)生干涉，這時(shí)根據(jù)推導(dǎo)式（1）得出工裝的最小安全高度范圍H1[4]需滿足條件為H

圖8 干涉

式中：r1為圓形轉(zhuǎn)臺A的半徑；r2為刀具半徑；a為主軸寬度的一半；b為毛坯頂部圓柱半徑；d為工作臺與主軸之間的安全距離；B為C軸的擺動角度；H為工裝的安全高度。

若一次裝夾無法完成變半徑球面螺旋軌道的加工，可將變半徑螺旋軌道分成上下兩段進(jìn)行加工。在粗加工過程中預(yù)留工藝凸臺，按照方案二先對軌道面無干涉部分進(jìn)行加工，然后按照圖9所示，將工件翻轉(zhuǎn)，使用工藝凸臺對其進(jìn)行定位裝夾，在第二次裝夾時(shí)要注意圓周角向定位，保證兩次裝夾無角度偏差，再對第一次加工發(fā)生干涉部分的軌道面進(jìn)行加工。

圖9 裝夾示意圖

4 刀軸矢量控制方法

球面螺旋軌道特殊的曲面結(jié)構(gòu)需要使用五軸數(shù)控加工中心對其進(jìn)行加工制造，以保證其設(shè)計(jì)與裝配精度要求。五軸數(shù)控機(jī)床比三軸數(shù)控機(jī)床多2個自由度，刀具走刀路徑可以通過兩個額外的自由度進(jìn)行控制，刀軸獲得了更高的空間可變范圍，刀具路徑規(guī)劃更為靈活，提高了刀具對復(fù)雜曲面類零件加工的適應(yīng)性，但是，隨著自由度的增加，對于刀軸矢量變化的控制過程變得更加復(fù)雜，刀軸矢量的規(guī)劃與復(fù)雜曲面的加工質(zhì)量和加工效率有著密切的關(guān)系。刀軸矢量規(guī)劃問題成為影響刀具路徑規(guī)劃優(yōu)劣的重要指標(biāo)，刀軸矢量規(guī)劃的實(shí)質(zhì)是指在切削加工過程中能夠讓刀具在加工表面平滑過渡，這樣就可以避免因刀軸矢量的突變而導(dǎo)致刀軸或夾具頻繁改變位置，主軸頻繁加減速、切削力忽高忽低、切削熱冷熱交替等問題，造成曲面變形受損滿足不了設(shè)計(jì)與加工的精度要求。刀軸矢量規(guī)劃可保證在制造過程中機(jī)床能夠平穩(wěn)運(yùn)行，從而提高復(fù)雜曲面的加工質(zhì)量。現(xiàn)有的刀軸矢量規(guī)劃方法大致有法線加工法、預(yù)設(shè)刀軸法、插值法等[6-8]。

通過前文對變半徑球面螺旋軌道的分析來看，在此可選用驅(qū)動線來控制刀軸。根據(jù)曲面構(gòu)造建立兩種驅(qū)動線，第一種采用法線加工法。如圖10所示，以螺旋線作為驅(qū)動線，該驅(qū)動線為過球面螺旋軌道中心的一條螺旋線，這種方法刀軸矢量與刀具切觸點(diǎn)處的曲面法矢向量方向一致，該方法加工效率較高，但是在曲面曲率變化較大處，刀軸矢量會發(fā)生突變，相鄰切觸點(diǎn)處刀軸矢量的變化量較大，導(dǎo)致被加工曲面的加工質(zhì)量不高[9]。針對這一問題這里使用第二種刀軸控制方法（如圖11），以行星輪中心的運(yùn)動軌跡作為驅(qū)動線對刀軸矢量進(jìn)行控制，該驅(qū)動線為螺旋軌道面中部的一個圓，該方法加工效率稍低，但刀軸矢量方向始終與驅(qū)動線保持一個角度，從而控制A軸在2a范圍內(nèi)來回?cái)[動，刀軸矢量方向變化較小，抬刀次數(shù)少，在加工軌道面優(yōu)弧部分時(shí)，可以有效避免發(fā)生碰撞干涉，可幫助解決變半徑球面螺旋軌道的欠切問題，而且加工的安全性和效率大大提高。

圖10 方法一

圖11 方法二

對比上述兩種控制方式，第二種方式優(yōu)勢顯而易見，采取第二種驅(qū)動線來控制刀軸方向, 加工刀具路徑選擇UV曲面上的U形曲線，可以保證軌道面的尺寸精度及粗糙度的要求。通過上述方法控制刀軸矢量方向變化，可以有效避免發(fā)生欠切現(xiàn)象，并保證內(nèi)球面軌道的加工精度。

5 CAM軟件編程仿真及實(shí)例驗(yàn)證

在安排好工藝后，使用CAM軟件規(guī)劃刀具路徑，根據(jù)加工設(shè)備匹配的后置處理程序生成NC代碼，再使用數(shù)控加工仿真軟件VERICUT對其加工過程進(jìn)行仿真，提前發(fā)現(xiàn)并糾正刀具路徑規(guī)劃中的錯誤，避免在加工時(shí)發(fā)生碰撞、干涉及安全事故。

為了還原實(shí)際加工過程，在搭建仿真環(huán)境時(shí)要與實(shí)際加工環(huán)境嚴(yán)格保持一致。通過在CAM軟件中對刀軸矢量的控制，優(yōu)化刀具路徑及切削參數(shù)，仿真過程與預(yù)想情況一致。使用DMU 65 mono BLOCK五軸加工中心對變半徑球面螺旋軌道進(jìn)行實(shí)際加工制造，加工過程正常，未出現(xiàn)干涉情況以及欠切現(xiàn)象，實(shí)際加工結(jié)果如圖12所示，滿足了球面螺旋軌道的設(shè)計(jì)要求。

圖12 實(shí)例驗(yàn)證

6 結(jié)語

五軸數(shù)控加工技術(shù)在復(fù)雜曲面加工制造過程中具有重要的實(shí)用價(jià)值，本文針對變半徑球面螺旋軌道這一特殊曲面的制造過程設(shè)計(jì)出一種適應(yīng)的加工工藝，解決了螺旋軌道優(yōu)弧難加工的困難，避免發(fā)生干涉及欠切，提高了數(shù)控加工的安全性，滿足了精度要求，但是仍然存在微小的裝夾誤差。如果結(jié)合AB雙擺頭五軸加工中心與數(shù)控車床，使用車銑復(fù)合中心對此類零件進(jìn)行加工可大大降低裝夾造成的誤差，達(dá)到更高的精度要求，大幅提高加工質(zhì)量與效率，后續(xù)可以圍繞此方案展開研究。