球头加工

2024-07-06

球头加工（精选4篇）

球头加工篇1

0 引言

数控车床能加工形状比较复杂的零件,而且加工精度高,生产效率高,是目前广泛使用的一种数控机床。

对于像圆球类的零件,利用普通车床加工精度难以保证,比较适合在数控车床上加工。在数控车床上加工圆球时,圆球的精度与刀具和机床的运动精度、编程工艺都有密切的关系。为了达到圆球的精度要求,必须进行半精加工。半精加工的主要目的是为了使精加工时的余量均匀,在半精加工时就要对球的精度进行测量,以便及时调整。本文对车床加工圆球时的均匀余量和车削过程进行讨论研究。

1 刀尖圆弧影响

数控车床加工一般是按照车刀刀尖编程,但实际使用的车刀刀尖并不是尖角,而是有一个圆角的,车削时相当于刀尖圆弧形成的包络线,这样编程位置和实际切削位置不同,导致车削时出现过切或者欠切。刀尖圆弧的影响如图1所示,加工圆柱面和端面时,刀尖和圆弧切削点在同一直线上,圆柱面的直径和端面的尺寸不会受影响;加工圆锥面时,由于刀尖运动轨迹是斜线,实际切削的圆弧包络线和编程的理论轮廓存在偏差;在加工圆弧的情况下,与加工圆锥时类似,实际切削和编程的理论轮廓存在偏差。在数控车削加工中,如果X、Z方向的坐标同时有变化,就会出现上述偏差。这种偏差会导致在圆弧加工时出现过切和欠切现象,在加工圆锥面时也同样会出现这种现象。

解决上述偏差问题有如下两种方法:

(1)按照刀具圆弧中心线轨迹编程,即对零件轮廓进行偏移,算出刀具圆弧圆心点坐标,如图2所示。该方法如果改变了刀具圆弧大小,则需要重新计算刀具圆弧中心轨迹,重新编程。在一些经济型简易车床上,如果没有刀具圆弧半径补偿功能,只能通过这种计算刀具圆弧中心轨迹的方法来编程。

(2)在有刀具圆弧半径补偿功能的数控车床上加工时,编程可用刀尖点按照零件轮廓计算,加工时由数控系统自动计算出刀具圆弧中心偏移值,保证刀具圆弧包络线和零件轮廓相符。该方法如果需要更换不同圆弧的刀具,不需要重新编程,只要修改车床刀具圆弧补偿值即可。

2 球杆加工分析

球杆工件如图3所示。球杆工件材料为45钢,球头部分形状和尺寸精度较高,在普通车床上加工的方法有双手控制刀架法或者利用成型刀加工法。双手控制刀架的方法效率低、精度低;采用成型刀加工的方法切削极易出现振动。所以用普通车床加工该零件时,圆球形状和尺寸精度较难达到图纸要求。

在数控车床上加工该零件,则相对较容易达到图纸要求。在数控车床半精加工和精加工时,如果使用偏刀,为了防止副偏角干涉,需要左、右两把,这样在球面上会出现接刀痕迹,所以应该使用圆刀片车刀。

为了较好地控制球的精度,在半精加工完成后,要求加工余量均匀,以保证精加工精度,并测量球的圆度,如果圆度有偏差,可以及时调整。这就要求合理使用刀尖圆弧半径补偿指令,并选择合适的编程方法、合适的补偿方法和补偿位置,以保证圆刀片中心轨迹为同心圆。

3 球杆车削编程

要保证半精加工后余量均匀,而且球的圆度达到图纸要求,有如下几种放余量的方法。

3.1 在编程时使用圆刀片中心轨迹

首先测量车刀圆刀片的半径,用零件轮廓加上刀片半径算出圆刀片中心轨迹坐标,然后再连接上进刀和退刀的轨迹,最后根据这些轨迹编程即可。编程使用圆刀片中心轨迹时,应该注意以下几点:

(1)设定工件坐标系时,应把圆刀片半径值考虑进去,根据数控车床参数设定,一般Z方向用半径,X方向用直径,不能用假想刀尖设定。例如以工件右端面的中心点作为工件坐标原点,当用试切法设定X方向工件坐标系时,车到工件外圆后,如果车削处的外圆直径为Φ50mm,考虑圆刀片半径R5,应该输入X60,因为圆刀片圆心处的直径位置为Φ50mm加上刀片直径Φ10mm。应该注意,在计算圆心坐标点时,应根据圆刀片中心在原有的坐标点的方向决定其加或减。

(2)如果加工时改变了圆刀片半径,则需要重新编程,并用新刀重新设定工件坐标系。

3.2 使用刀具半径补偿功能

使用刀补编程时,按照图纸轮廓编程就可以了,需要注意建立刀补和撤销刀补时对零件轮廓的影响。在加工时,数控车床的刀尖方位应该设定为0或者9,当改变刀补值R的大小时,圆刀片的中心轨迹为同心圆,这样可以使半精加工的余量均匀。这样的加工方法与数控铣床调整刀补来控制零件尺寸的方法类似。通过控制数控车床上的刀补值可以控制余量的大小,如果更换不同半径的圆刀片,则不需要重新编程,只需改变车床上的刀补值即可。

3.3 使用宏程序编程

使用宏程序编程,也可获得均匀的余量。将圆刀片半径R设为变量,通过改变R值控制圆刀片中心,以保证余量的均匀性。其主程序(部分)为:

宏程序(部分)如下:

上面程序中,R为刀具中心轨迹球半径,Z为圆弧z终点(球圆心到R5起点距离),#101为圆弧x终点。

4 球杆车削加工

加工球杆时选择刀具十分关键,如果选择不当,不仅影响效率,也会影响圆球表面粗糙度和圆度。

由于使用焊接式车刀刃磨刀具圆弧尺寸较难控制,而且刀具磨损或者损坏后更换刀具尺寸一致性太差,因此,数控车床刀具优先使用机夹可转位刀。选用车刀时,应注意刀杆的长度,避免刀杆与零件发生干涉。粗加工使用DDHN型刀杆,为避免球头部分干涉,采用R/L左右两把刀加工,刀片材料选用GC4225。半精加工和精加工时刀杆采用SRDCN中置型,这样整个球头不用接刀,刀片采用RCMT圆刀片。加工本零件时参考切削用量如下:

粗车:线速度v=150 m/min、进给量f=0.5mm/r、背吃刀量ap=0.6mm。

半精车:线速度v=170 m/min、进给量f=0.15mm/r、背吃刀量ap=0.35mm。

精车:线速度v=200m/min、进给量f=0.1mm/r、背吃刀量ap=0.2mm。

5 结语

数控车床刀尖圆弧半径不是每一把刀具都必须建立的,只有在加工锥面和圆弧等X方向和Z方向联动曲线表面时,才有必要建立刀尖圆弧补偿以避免加工误差。在车削圆球时,应注意刀补加入和撤消,由机床及刀具位置引起的误差,可在半精加工的过程中边测量边修正。常规的假想刀尖半径补偿可以消除刀尖圆弧引起的过切和欠切,但余量不均匀,无法在半精加工的时候测量球圆度。利用刀尖方位矢量0、9及增加刀补的方法能较简便地实现均匀的余量。应用宏程序编程可使操作简便灵活,但需掌握宏程序编程方法,对编程要求较高。

参考文献

[1]刘镝时.圆球车削公差控制与刀补运用[J].机械设计与制造,2006(7):113-114.

[2]张立君,张树军,刘春城,等.刀尖圆弧半径补偿指令在数控车削中的应用[J].金属加工(冷加工),2013(14):45-55.

[3]刘名维.数控车床圆弧加工程序与刀补的处理[J].黑龙江科技信息,2011(19):55-56.

[4]王申银.数控车削加工中刀具补偿技术的研究[J].机械工程与自动化,2011(6):179-181.

用经济型数控车床加工拉杆球头篇2

经济型数控车床采用的是半闭环伺服控制系统, 还受到机床结构精度的影响, 要加工较高质量要求的复杂形面有一定的技术难度, 特别是轴端球头类零件, 主要难点是球面粗糙度的均匀性和球面的形状精度。本文结合在经济型数控车床上对拉杆球头的加工实践, 对出现的难点问题进行了分析, 提出的解决措施已在实际中进行了检验, 能加工出符合要求的零件。

2 零件技术分析

如图1所示为某转向拉杆球头零件简图, 材料为45钢。

2.1 零件图分析

从图中可以看出, 该零件的尺寸公差是IT7级, 形状公差 (面轮廓度) 等级为6级, 球面的表面粗糙度要求为Ra1.6。

2.2 加工难点

零件的表面粗糙度要求达Ra1.6, 在球面右端靠近轴线处、球面左端与圆弧面R15过渡部位是表面粗糙度考虑的主要区域;球面尺寸公差要求是±0.015mm, 通过修改精加工刀具的长度补偿值, 就可较容易地修正尺寸公差;球面轮廓度要求为0.015mm, 实际加工的球面经常会变成椭球面, 需要对形状进行修正往往比较困难。

3 关键工序工艺分析与措施

C2-6136HK经济型数控车床的刚度、运动导向精度不足;其伺服系统采用半闭环控制, 仅检测丝杠的转角, 不检测工作台的准确位置, 因此, 要加工出合格产品需要采取相应的工艺措施和解决关键问题的可靠办法。

3.1 降低表面粗糙度

(1) 粗加工刀具与加工方法。零件数为几件, 因数量少采用圆柱棒料。零件轮廓非单调变化, 分析轮廓下凹处几何形状, 粗加工选用93°外圆车刀 (刀柄MDJNR2020K15, 刀尖角为55°) , 图2中T1。零件粗加工路径一般可选择轴向粗车循环法或仿型循环, 在使用FANUC 0i Mate-TC数控系统的机床上, 含非单调轮廓线的使用仿型法编写程序较方便, 但刀具路线会有较多空刀。结合实际情况:先手动切除余量较多的部位, 再采用图2所示的刀具路线进行仿型粗加工。

(2) 精加工刀具与刀具路线。精加工路线从零件右端轴线处开始, 沿轮廓线向左连续进行。在切削过程中, 刀具的实际工作主偏角由球头轴线处最小的几度增大到球面结束处的百余度, 其中工作主偏角太小和太大处都会造成加工性能变差, 易振动, 因此, 在相应位置的表面粗糙度达不到要求。要解决工作主偏角变化幅度太大的问题, 可以将圆弧分成2段, 使用2把不同主偏角的刀具 (左右手刀具) , 但是刀具路径变得复杂, 编程也更麻烦, 操作机床对刀时难以达到满意的精度, 在2段交接处的接刀痕很难消除。实际中选用圆刀片的外圆精车刀 (刀柄SRDCN2020K06) , 图2中T2;刀具路径沿图2所示的轮廓连续完成整个加工, 刀具工作主偏角变化得到改善, 编程简单对刀方便, 但刀具工作条件稍差, 球面圆度取决于刀片圆头精度, 一般使用精度高的专用刀片。

(3) 优化切削工艺。在精加工刀具移动过程中, X方向尺寸非单调变化, 刀具所受横向切削力从逐渐减小到逐渐增大再逐渐减小;同时纵向切削力不仅发生了大小改变, 还有方向交替, 这些都会影响切削的稳定性, 导致加工质量下降。可以通过以下工艺措施减小其影响:对数控车床的丝杠间隙和主轴锥度进行打表测量, 若测定值较大就要预紧调整, 若测定值较小只需在数控系统中进行修正即可;为改善精加工过程的稳定性, 尽量保证加工余量均匀, 可在精加工前增加半精加工, 也便于测量调整;切除余量要满足实际需要, 切除量太多, 切削力较大, 易造成切削不稳定, 切除量太小属纯切削, 也会影响表面质量。

3.2 提高尺寸精度

精加工由一把圆头刀具沿一个方向连续完成, 零件轴向尺寸公差完全取决于机床;零件径向尺寸精度受机床和对刀误差影响, 而对刀误差可以很方便修正。

零件径向尺寸公差的特点是轮廓线沿径向平移, 出现径向尺寸整体偏大或偏小。选定一个尺寸进行精确测量, 用它与理论数值进行比较可得出平移偏移量, 正负号按反向确定, 在相应的刀具长度补偿处增加平移值就可以修正径向尺寸误差。

3.3 改善形状误差

3.3.1 原理分析

经济型数控车床采用半闭环伺服系统控制, 不检测工作台的准确位置, 会出现坐标轴不一致, 造成加工表面形状误差。形状误差不是轮廓线整体平移, 不能靠修改刀具长度补偿来修正, 需要更改轮廓形状, 即更改程序来实现。

形状误差修正的原理与尺寸补偿原理相似即“反向补偿”。先按理论轮廓编写程序, 在加工中出现形状误差, 分析找出并测定坐标轴不一致的量, 将这些量正负反号后加到理论轮廓上得出“使用轮廓”, 按“使用轮廓”编程加工, 零件的形状误差就可得到修正。例如零件表面为圆柱和球面, 理论轮廓为水平线和圆弧, 加工有偏差后是圆锥和椭球面, 测定其偏差按反向补偿得到“使用轮廓”为斜线和椭圆, 按补偿后的“使用轮廓”编程加工就可得到形状误差较小的圆柱和球面。

3.3.2 编写程序

将圆弧用椭圆弧编程, FANUC 0i Mate-TC数控系统的仿型循环指令G73不支持宏程序, 本例使用宏程序的循环功能进行仿型编程, 把椭圆部分的宏程序用子程序列出, 表1为部分程序。

3.3.3 球面形状修正

在数控车床对拉杆球头进行形状修正时要注意:

(1) 精确测定形状偏差量。精确测量球面轮廓度很繁琐。利用万能工具显微镜、圆度仪或三坐标测量仪都可精确测量, 但需要取下工件进行测量, 不方便临时调整;量规不受场所限制, 但只能判断工件是否合格, 而不能获得被测几何量的具体数值, 实际中依据加工精度选用相应的测量工具。

(2) 修正形状补偿。确定造成球面形状误差的坐标轴, 依据上述测定值修改程序中的#101或#102的椭圆半轴值, 补偿后进行精加工, 球面形状精度得到了修正。

4 结语

在经济型数控车床上采用上述措施, 可提高零件的表面精度和尺寸精度, 加工产品符合零件技术要求。这些提高加工质量的工艺与措施, 对提高经济型数控车床加工等级具有普遍作用, 从工艺措施上发挥了数控车床的先进功能。

摘要：结合拉杆球头零件在经济型数控车床上的加工, 介绍了提高零件表面质量、修正球面形状的工艺与措施。这些方法能够有效提高数控车削的加工质量。

关键词：拉杆球头,表面粗糙度,形状修正,刀具路径

参考文献

[1]罗永新, 等.数控车削误差反贴补偿实验研究[J].机床与液压, 2010 (11) :36-39.

[2]欧阳毅文, 等.球头加工实例及技巧[J].煤矿机械, 2010 (6) :97-99.

球头加工篇3

球头立铣刀是一种常见的铣削刀具, 由于其表面适应性高的特点, 被广泛应用于能源、交通、冶金、航天、军工等行业。随着制造业的发展, 球头立铣刀的设计、制造和仿真越来越受到重视。

以往的球头立铣刀后刀面算法研究, 多不能精确控制法后角的大小, 只能控制主后角, 这样对于不可避免存在硬件误差的数控加工来说, 极容易造成球头不圆的问题。本文以一种常见的五轴数控工具磨床的机床结构作为硬件基础, 提出了一种基于该硬件基础的后刀面加工算法, 可以精确控制法后角的大小。

2 球头立铣刀后刀面的数学模型

球头铣刀后刀面可以减小加工时刀具与工件的摩擦, 后角分为后角1和后角2。后刀面沿柱体螺旋线和球头S形曲线向前延伸如图1, 其截形如图2所示:AB为后角1的刃宽, BC为后角2的刃宽, AP和AB夹角为后角1, BC和AP夹角为后角2。

3 算法所基于的数控机床结构

算法所基于的机床结构如图3、图4所示, 砂轮可以沿Z方向上下移动, 沿Y方向前后移动, 夹头及棒料沿X方向左右移动, 另外, 棒料可以绕自身的轴线做A轴自转, 同时也可以整体绕C轴圆心做公转[1]。

图3五轴联动工具磨床结构

机床坐标系设置:以O点为坐标系原点, 采用右手坐标系, XZ正方向如图4所示。当Z轴指向眼睛时, 棒料的顺时针转动为C轴的正方向;当X轴指向眼睛时, 棒料的逆时针转动为A轴的正方向。

4 铣刀的加工算法

后刀面的加工分为柱体后角和球头后角两部分。而如果需要增大切削角 (砂轮面与棒料轴线的夹角) , 只需保持砂轮在该点的切线不变, 增大切削角即可。铣刀后角的加工关键在于球头后角的加工。球头后角的加工, 是沿S形曲线向前加工的。球头后角1的加工可以把S形曲线离散成N个离散点, 机床对此N个点均匀插补。

加工任意一个离散点P (θ) 所采用的五轴坐标是:

其中,

其中θ0即为后角1大小, Q为切削角大小, R为球头半径, R1为砂轮半径, β为柱体螺旋角, rβ为球头螺旋角, θ如图1所示为P点位置参数, L1、L2如图4所示, 分别为标准点到棒料端面的距离和标准点到C轴圆心的距离。

后角2的加工方式:在后角1的位置基础上偏移后角1的刃宽并增大后角[3], 加工姿态如图5所示。

加工五轴球头后角2所采用的五轴坐标是:

其中,

其中θ0即为后角2大小, Q为切削角大小, R为球头半径, R1为砂轮半径, β为柱体螺旋角, rβ为球头螺旋角, K为后角1刃宽, θ如图1所示为P点位置参数, L1、L2如图4所示, 分别为标准点到棒料端面距离和标准点到C轴圆心的距离。

5 仿真及加工

本文使用基于Open GL的仿真程序, 对棒料、机床和砂轮进行数据采集和建模, 而后利用此模型进行布尔运算, 达到仿真目的[3]。利用此算法对一把铣刀仿真, 如图6所示。该球头铣刀刀槽前角15°, 半径3mm, 芯厚直径3.6mm, 切削角8°;后角1为8°, 刃宽0.5mm, 切削角柱体4°, 球头从4°到20°;后角2为16°, 刃宽为0.5mm, 切削角柱体4°, 球头从4°到20°;端齿容屑槽前角为0°;球头和柱体螺旋角都为35°。杯砂轮半径45mm。平砂轮半径55mm。

6 结语

本文提出的球头立铣刀加工算法思路和方程能够满足在此种机床结构下, 各种不同参数的铣刀加工计算要求。根据仿真及机试的检验, 本思路及算法是可靠的。

参考文献

[1]PHAM T T, et al.A practical approach for simulation andmanufacturing of a ball-end mill using a 5-axis CNC grindingmachine[J].Journal of Mechanical Science and technology, 2010 (24) :159-163.

[2]YUE Xiaofeng.A Novel CNC Grinding Method for Relief SurfaceBased on a CAM System[J].Advanced Materials Research, 2011, 295-297:2521-2525.

三坐标球头测量系统误差分析篇4

关键词：三坐标,测量,测头,系统,补偿,误差

1 现状分析

在三坐标测量中, 对于测量软件中测头系统补偿误差存在两个观点, 第一个观点:测量机厂家海克斯康认为其补偿系统误差很小, 对于我们公司现有产品的测量精度要求完全可以满足, 我们现在在测量中是打开测头补偿系统进行测量的;第二个观点:608 所和西工大认为测头系统补偿有一定的误差, 所以在测量时关闭测头补偿系统。最近在测量叶轮中, 有设计人员提出了测头选取的大小会一定的测量误差, 对零件的测量结果有一定的影响, 针对该问题, 我们决定作以理论和实际的分析研究, 得到确切的结论。

2 球头补偿原理

2.1 测头的定义及校验

在对工件进行检测之前, 需要对所使用的测杆进行定义及校验。在PC-DMIS的测头功能中按照实际采用的测杆配置进行定义, 并添加所用到的测头角度。之后用标准球对其进行校验, 得到正确的球径和测头角度。

2.2 校验测头的目的

在进行工件测量时, 在程序中出现的数值是软件记录测杆红宝石球心的位置, 但实际是红宝石球表面接触工件, 这就需要对实际的接触点与软件记录的位置沿着测点矢量方向进行测头半径、位置的补偿, 消除以下三方面误差:

(1) 理论测针半径与实际测针半径之间的误差。

(2) 理论测杆程度与实际测杆长度的误差。

(3) 测头旋转角度之误差。

通过校验消除以上三个误差, 得到正确的补偿值。因此, 校验结果的准确度, 直接影响工件的检测结果。

3 观点说明

3.1 错误观点

一部分人认为, 在实际测量是, 每测量一个元素, 系统都可以自动区分测球半径的补偿方向, 计算正确的补偿半径。在采点开始后, 测量软件将在沿着测针接触工件的方向上对测球进行半径补偿。但被补偿点并非真正的接触点, 而是测头沿着测针接触工件方向的延长线上的一个点。这样就造成了测头半径补偿误差, 产生误差的大小与测球的半径与该工件被测面与笛卡尔坐标轴的夹角有关, 夹角越大, 误差越大, 详见图1。

3.2 正确观点

软件在获取每一个触测点时, 得到的是测针红宝石球球心点的位置, 我们最终想要获得的是红宝石球与工件表面接触的特征点, 这两个点之间的间距为触测方向 (矢量方向) 上的测针半径值, 这就需要通过测头补偿来实现, 即将红宝石球心点沿测针触测方向 (矢量方向) 补偿测针半径之后, 得到工件的特征点, 而不是竖直方向的延长点。

4 测量验证

从研究三坐标测量系统的补偿原来我们可以发现, 正常经过校验的测头, 打开补偿控制要求, 理论上不会出现测量误差。为了验证测头打开补偿状态测量误差, 进行了不同球径在平面与曲面的测量对比。

4.1 平面测量

(1) 使用准1.5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(2) 使用准2 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量平面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

4.2 曲面测量

(1) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(2) 使用准2 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.002mm。

(3) 使用准3 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。

(4) 使用准5 球头测量曲面上的一点, 重复测量10 次, 得到测头校验精度为0.001mm。