（机械制造及其自动化专业论文）旋转锉数控刃磨技术的研究.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 硬质合金旋转锉是近些年发展起来的一种新型刀具，目前广泛应用于模具 加工和其他钳工工作中。本文在一台天津大学早期自行研制的五坐标数控旋 转锉刃磨机的基础上，对旋转锉的四坐标数控刃磨技术进行了研究。并获得 了初步成功。 首先本文根据原有的五坐标刃磨机，分析了四坐标刃磨的可行性；然后结 合实际刃磨运动，并针对具体n c 机床结构，通过运动分析的方法，建立了各 种类型旋转锉的四坐标刃磨运动模型：以此为依据通过多坐标联动控制，进 行了实际刃磨试验，试验结果充分说明了所建立模型的正确性和可行性。 此外，本文还对刃磨出的刀具的几何角度进行了分析，并对刃磨过程中砂 轮的轨迹干涉及补偿问题进行了讨论。 ( 所有这些研究对发展旋转锉的数控刃磨技术和推广旋转锉的使用都具有 重要的参考价值。入 关键词：旋转锉 刃磨运动模型 多坐标联动控制 轨迹干涉 补倦 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u n g s t e n c a r b i d er o t a r yb u r r si san e wt y p ec u t t e ri nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi s w i d e l yu s e di nm o u l dm a c h i n i n ga n d o t h e rb e n c hw o r k s i nt h i sp a p e r ，b a s e do na 5 - a x i sn c r o t a r yb u r r sg r i n d i n gm a c h i n ed e s i g n e db yt i a n j i nu n i v e r s i t yt e ny e a r s a g o t h e4 - a x i sn cg r i n d i n gt e c h n o l o g yo fr o t a r yb u r r si sr e s e a r c h e da n dp u ti n t o p r a c t i c e f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ee x i s t e d5 - a x i sn cr o t a r yb u r r sg r i n d i n gm a c h i n e ，t h e p o s s i b i l i t yo f 4 - a x i sn c g r i n d i n gi sa n a l y z e d ；t h e n c o m b i n e dw i t hr e a lg r i n d i n g m o v e m e n ta n dc o n s i d e r i n gt h en cm a c h i n e s s t r u c t u r e ，t h e g r i n d i n g m o t i o n m o d e l so fa l lt h ek i n d so f r o t a r yb u r r sa r eb u i l tu pw i t hm o t i o na n a l y s i s ；f i n a l l y , a c c o r d i n gt o t h em o t i o nm o d e l sa n dw i t l lm u l t i - a x i sc o n t r o ls i m u l t a n e o u s l y , t h e p r a c t i c a lg r i n d i n gi ss u c c e s s f u l l yt e s t e d ，w h i c hp r o v e d t h a tt h em o d e l sp r o p o s e di n t h ep a p e ra r cc o r r e c ta n df e a s i b l e m o r e o v e r t h eg e o m e t r i ca n g l e sa n dw o r k i n ga n g e l so fc u r e ra r ea n a l y z e d ， a n dt h ei n t e r f e r e n c ea n d c o m p e n s a t i o n i ng r i n d i n g p r o c e s s a r ed i s c u s s e d a l lo ft h e s ew i l lb eu s e df o rs i g n i f i c a n tr e f e r e n c et od e v e l o pt h en c g r i n d i n g t e c h n o l o g yo f r o t a r y b u r r sa n dt oe x t e n di t sa p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r o t a r y b u r r s g r i n d i n gm o t i o nm o d e l m u l t i a x i sc o n t r o ls i m u l t a n e o u s l y i n t e r f e r e n c e c o m p e n s a t i o n 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题领域国内外发展动态及存在问题 机械制造技术是发展各行各业的基础，而工具技术则是发展机械制造 技术的重要方面；刀具的性能直接影响到机床加工效率的高低和加工质量 的好坏。现代机械制造工业正朝着c a d c a m 一体化和c i m s 方向发展， 随着各种数控机床、加工中心、柔性加工单元的广泛应用，对刀具提出了 更高的要求。这些数控机床和加工中心所使用的刀具( 简称n c 刀具) ，要 求具备可靠性好、使用寿命长、一致性好、几何精度高的特点。同时，随 着现i 模具、汽车、航空航天等高新技术的发展，为适应多种加工的需要， 产生了许多具有各种复杂形面的特殊刀具，如各种球头铣刀、旋转锉、群 钻等。 对这些新型复杂刀具，若仍采用传统的普通工具磨床进行刃磨，已经 无法保证其加工质量。为此，对刀具的磨削工艺及加工技术必须进行突破 性的变革。随着数控技术的日益发展和越来越广泛应用将其应用到刀具 刃磨中来，已经成为一种必然趋势。而数控技术一经应用于工具磨床，就 显示出其巨大优越性。这是由于刀具磨削运动轨迹的复杂性，决定了c n c 技术对工具磨床较之车、铣床等更加重要，因其不仅能提高加工效率、加 工质量及自动化程度，而且可以实现普通工具磨床无法完成的工作。 国外对刀具的数控刃磨技术及数控工具磨床研究开始于7 0 年代。许多 发达国家( 如德国、美国、日本、瑞士等) 的专家学者和刀具生产厂家均 投入人量的资金和人力进行了不懈的研究，取得了显著成果，并形成系列 化的商品，获得了可观的经济效益。其中较为知名的生产厂商及其产品有 【1 3 1 ：德国w a l t e r ( 瓦尔特) 公司的h e l i t r o h i ep o w e rc n c 工具磨床，可 用于制造和修磨多种金属切削刀具，其控制为五轴五联动，使用w a l t e r 公 司自己开发的专用数控系统删c 4 0 0 及其软件；美国s t a r ( 时达) 公司 的a t g 6 a cc n c 工具磨床，在其磨头主轴上可安装4 片砂轮，工件一次 装夹能完成各种复杂形状刀具如锥形球头立铣刀等的加工，机床采用a l l e n b r a d l y8 2 0 0 控制系统，为六轴六联动；日本m a k i n os e i k i 公司( 牧野 公司) 的c n v 2 5 0c n c 工具磨床，为五轴控制，砂轮轴上最多可安装6 片不同的砂轮，一次装夹可完成标准立铣刀、锥度立铣刀、波纹立铣刀等 以足各类非标准工具的全工序加工；等等。目前，在发达国家，以各种球 头铣刀、旋转锉等为代表的复杂刀具的刃磨，约9 0 以上都在数控工具磨 床上j 行，基本上实现了一次装夹自动完成刀刃的全部磨削要求。但由 于这些技术均被视为专利技术或保密技术，研究成果鲜有发表，只是有一 天津大学硕士学位论文 些广告形式的说明。 我国于1 9 7 8 年研制成功第一台数控磨床，但对数控工具磨床的研究、 开发起步较晚，可以说自8 0 年代中后期才开始。近几年来，很多高等院校 机械工程系的专家教授已经将“刀具的数控刃磨技术”作为其主要的研究 方向之一，进行了大量的研究【6 2 0 】。如研究了球头立铣刀的几何模型【1 1 ， 1 4 】；特种回转面刀具的刀刃曲线【9 】：特种回转面刀具的成型原理【1 6 1 8 】 等，但这些研究大多偏重于理论方面，还未见已将其转化为实际生产力的 报导。在n c 刃磨设备方面，也有二三家厂商研制出数控工具磨床【5 】，如 营口机床厂的y k 0 0 2 型数控工具磨床，武汉机床厂m h 6 0 3 0 型刀具磨削 中心，成都量仪开发公司和机电部成都工具研究所联合m k 6 0 2 0 数控工具 磨床等。但由于其c n c 系统都从国外引进，使得机床造价大大提高。且因 大多属于仿制，没有独立自主版权，加之软件不齐全，配套技术跟不上等 原因，使这些产品一直未能打开销路，目前尚处于样机试制或单台极少量 试生产阶段，远远不能满足生产发展的需要。 1 2 课题的提出 硬质合金旋转锉是模具加工和其他钳工工作中广泛使用的一种刀具， 主要用来修整或精加工零件成型表面，近年来在医疗行业中作为牙钴( 称 为“磨头”) 也获得广泛应用。它的尺寸虽然不大，但由于刀具形廓复杂， 齿数多( 一般n = 1 0 2 4 牙) ，且品种规格繁多，给刃磨工作带来很大的困 难。目前国内多数生产厂家仍使用传统的刃磨方法，即在万能工具磨床上 利用各种辅助机械装置，并辅之以一定的手工操作来完成。其精度主要取 决于操作者的技术水平和熟练程度，不仅效率低、成本高且加工质量难 以保证。 采用多坐标n c 工具磨床，可以解决旋转锉刃磨中的有关品种、质量 和效率方面的问题。国内已有一些专业生产厂家，如上海工具厂、哈尔滨 第一量具刃具厂、陕西航空硬质合金工具公司等，进口了整套旋转锉n c 刃磨设备，成功地刃磨出了高质量的整体硬质合金旋转锉。但由于前期投 资太大，多数厂家难以接受，且这些进口机床的相关的成型原理及软件方 面的技术资料都受到封锁，只能按外方规定的有限品种进行生产。 近几年来，国内也有少数专家教授对旋转锉的数控刃磨技术进行了一 些研窀 6 ，7 ，但受没有加工设备的限制，仅是对几何模型和成型理论方 面进行的探讨，未能与刀具的实际刃磨联系起来，更谈不上应用于生产实 践。天津大学对该课题领域的研究较早，于1 9 8 6 年就成功地研制出一台微 机控制的五坐标旋转锉刃磨机【2 0 】该机已在河南开封量具厂、陕西硬质 天津大学硕士学位论文 合金公司等单位投入实际生产运行，能够刃磨多种类型的特种回转面旋转 锉，较好地解决了成本与效率和质量的矛盾。 最近，咸阳台式机床厂有意向为武进工具厂生产一批n c 旋转锉刃磨 机，希望与我们合作。鉴于原来的五坐标刃磨机床的结构在设计、制造及 装配上有一些弱点，突出表现在磨头主轴的摆动坐标上，由于存在较大的 偏重，并受到结构空间的约束，使其摆动角度受到限制，且增加了制造和 装配上的难度( 要求几个坐标轴严格相交于一点) 。能否去掉该摆动坐标， 以四坐标联动仍能实现旋转锉的数控刃磨，是本课题要研究和解决的主要 问题。 基于上述情况，并考虑到自身条件，本文选定“旋转锉的数控刃磨技 术”作为研究课题，主要系统地研究旋转锉的四坐标数控刃磨方法和数学 模型，实现参数计算、刃磨调整及刃磨操作的自动化。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题拟在原有的五坐标数控旋转锉刃磨机的基础上，对旋转锉的四 坐标数控刃磨技术进行研究，运用空间解析几何、微分几何、数值分析及 运动合成原理等基础工具，重点进行以下工作： 1 建立各种形式旋转锉的几何模型； 2 根据几何模型，推导出旋转锉的四坐标刃磨运动模型； 3 利用以上研究结果进行数控编程，并实际刃磨以验证模型的正确性 和可行性。 4 对旋转锉的工作角度及刃磨干涉问题进行研究和探讨。 天津大学硕士学位论文 第二章五坐标数控旋转锉刃磨机简介及改进 本章将对原有的五坐标数控旋转锉刃磨机的基本结构、控制原理及方法加 以简要说明，并对转化为四坐标的可行性加以分析。 2 1 机床总体结构 图2 - l 所示为天津大学于1 9 8 6 年自行研制的五坐标数控旋转锉刃磨机的结 构简图。其各坐标轴定义如下： x 一工作台水平左右移动坐标： y 一溜板水平前后移动坐标，砂轮架安装在溜板上，与溜板一起运动； c 一转盘( 圆工作台) 绕铅垂轴的回转坐标，转盘安装在机床工作台上， 并与工作台一起移动； a 一工件绕自身轴线的转动坐标，工件主轴安装在转盘上，其轴线与转 盘回转轴线垂直相交并随转盘一起转动： b 一砂轮头架绕其回转中心的摆动坐标，其回转中心要求通过砂轮工作 平面。 图2 - i 机床结构示意图 天津大学硕士学位论文 机床各坐标轴的作用是：x 和y 方向的移动，是为了使刀具( 金刚石砂轮) 切削点相对于工件( 旋转锉) 的运动轨迹与工件齿底轴截面外廓相吻合；工件 绕自身轴线的转动a ，是为了形成螺旋刀齿的螺旋角并兼具分度功能；c 轴的 转动是为了使运动模型简化，从而可减小加工行程，并使软件设计变得容易， 即编程时可不考虑刀具偏置及刀具半径补偿，这也是该机床的设计较之其他n c 工具磨床的一个独到之处；摆动坐标b 的作用，是在刃磨过程中控制砂轮的角 向位置，形成变螺旋角。该机床在制造和装配中有两个难点： ( 1 ) 为保证旋转锉的刃磨精度，机床要求三个转动轴线严格相交于一点， 偏差不大于0 o l 。 ( 2 ) 砂轮头架存在较大的偏重，为使其运动平稳，需加配重；而配重又受到 结构空间的限制，及砂轮结构尺寸的影响，使砂轮头架部件成为影响机 床精度和刚度的主要环节。 上述机床的五个运动坐标分别由五个功率步进电机驱动。其中，x 、y 二个 移动坐标分别由二个步进电机通过齿轮减速装置与滚珠丝杠连接，将步进电机 的回转运动变为直线运动；a 、b 、c 三个转动坐标通过步进电机与蜗轮副连接， 将步进电机的回转运动经减速后变为圆工作台转轴和工件主轴的转动及砂轮头 架的摆动。 2 2 机床控制系统 现有的数控系统不能满足本系统的要求，一是联动轴数少，二是价格昂贵， 三是没有相应的软件。故决定采用自行设计的控制系统，系统在设计时主要考 虑以下凡条原则： ( 1 ) 在功能上、速度上、精度上满足要求： ( 2 ) 系统简单可靠，便于使用、维护、保养： ( 3 ) 造价尽量低。 综合以上原则，采用下述的控制系统设计方案： 考虑到旋转锉的成型运动复杂，需要同时联动的轴数多，属于多坐标联动 系统，速度问题是需要认真考虑的。而目前的微机运行速度还不够高，因此要 想直接进行函数运算并逐个脉冲地响应机床多坐标运动是不可能的。解决这个 问题的较好方法，是采用前后两级微机系统分别进行控制。其前级微机采用8 0 3 1 单片机，后级微机可采用通用的p c 机，即采用计算机系统一单片机一驱动系 统一刃磨机床的控制路径。控制系统硬件框图如图2 - 2 所示。具体操作过程是， 先由计算机系统完成复杂的分析建模后，将控制机床刃磨运动所需的数据传递 给单片机，再通过单片机的软件插补程序，输出控制指令控制五个步进电机运 动，实现机床的多坐标联动。 天津大学硕士学位论文 a? 8 2 5 5 ： b ： 1 图2 - 2 机床控制系统硬件框图 光电隔离2 推动3 一功放4 一步进电机 由于本机床运动距离不大，速度要求不高，因此包括环形分配在内的步进 电机控制均可由软件来实现。这样，不仅使控制系统硬件大为简化，机床成本 降低，同时也提高了系统的柔性和可靠性。本系统是一个简单的开环控制系统， 经分析和实验证明可以满足刃磨精度的要求。 2 3 转化为四坐标的可行性分析 前面已经说过由于砂轮摆动坐标的存在，使得机床在设计、制造及装配上 都有一定困难。本课题要解决的主要问题就是分析能否取消该摆动坐标，以四 坐标来完成五坐标的刃磨功能。 典型地，本节就以c 型( 圆柱+ 球头) 旋转锉螺旋刀齿的刃磨为例，来分析 转化为四坐标的可行性： 旋转锉等回转面刀具中螺旋角的作用是变间断切削为连续切削，使得切削 平稳，加工精度高；同时改变切屑流向，使切屑顺着螺旋槽流出，从而起到散 热、减小切削阻力、防止切屑擦伤已加工表面等作用。在圆柱部分，为了获得 良好的切削性能，使得切屑的流向保持致，刀齿宜设计成等螺旋角的。 在实际刃磨圆柱部分刀齿时，为获得一定的螺旋角bo ，应使砂轮工作面与 旋转锉轴线成b 。角，即摆动角b = 且。这只需在刃磨前手动调整b 坐标即可， 刃磨过程中b 坐标始终保持不变不参加联动。以下将证明。在刃磨球头螺旋刀 齿时，砂轮的这个位置仍保持不变。如图2 3 所示即为刃磨旋转锉圆柱部分刀 时砂轮位置示意图。 6 誉 图2 - 3 刃磨时砂轮位置示意图 球面螺旋线的定义为，球面上一点沿球面上一条母线匀速移动的同时绕与 该母线共面的球面轴线作匀速转动，所形成的运动轨迹。 如图2 3a 所示，c 型旋转 锉的球头部分为一半球体，设 球心为0 ，顶点为e ，半径为r 。 坐标系o - u v w 为刀具坐标系， 其u 轴与旋转锉的轴线相一 致。球头螺旋刀刃的起点设为 s ( 在o v 轴上) 终点为e ，取 螺旋刃s e 上任一点p ，其对应 的纬度角( o p 与v o w 坐标平面 w 的夹角) 为由，经度角( p 点 在v o w 坐标平面上的投影与v 轴的夹角) 为o ，则p 点处的螺 旋角可表示为( 图2 3b ) ： p = t “c 0 s 庐丽d o 由球面螺旋线的定义可知， 一d o ：常数：k d 击 s 愫霹一 邀 ：一 a ) 图2 - 3 球面螺旋线 b ) 1( 2 - 1 ) p 点的移动和转动都是的匀速的，故有： ( 2 2 ) 分析式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知球面螺旋线的螺旋角的正切值是按余弦规律 变化的。对于c 型旋转锉，其球面螺旋刃在起点处，应有：b = b 。( b 。为圆柱 名言8簋一 由二 、 崩 天津大学硬士学位论文 螺旋刃的螺旋角) ，即： k = 皇堕= t g b 。( 2 3 ) c o s 0 0 而在终点处，有：0 = 0 。 通过对球面螺旋线螺旋角的变化进行分析，可以得出如下结论：螺旋角的 变化是由于球面螺旋线上各点的回转半径不一样而引起的。在绕自身轴线作匀 速转动时，回转半径的变化导致转动线速度的变化，且其变化规律与纬度角由 成余弦关系。而这一变化规律使得球面螺旋线的螺旋角在过回转轴线平面上的 投影角始终保持不变( 图2 4 ) ： 式( 2 4 ) 表明，在刃磨球头螺旋 刀刃时，砂轮工作面与旋转锉轴线的 夹角始终保持b 。不变。由此可以将 b 坐标化为手动调整轴，实际刃磨时 只需x 、y 、a 、c 四坐标联动。 t g 一1 ( 面d o ) = b 。 ( 2 4 ) 图2 - 4 球面螺旋线螺旋角的投影 - 8 - 天津大学碗士学位论文 第三章旋转锉四坐标刃磨运动数学模型 本章按照国家标准g b 9 2 1 7 8 8 【2 6 】中规定的几种形式的硬质合金旋转锉，分 别建立其四坐标刃磨运动数学模型。其思路是：首先分析各种形式旋转锉的几 何模型，然后根据前面所述的刃磨机床的四坐标结构，以空间解析几何、微分 几何及数值分析等数学工具为基础运用运动合成原理对旋转锉的成型运动进 行分析，建立一组以基准坐标为参数的参数方程即刃磨运动数学模型。 3 1 圆柱形旋转锉( a 型) 图3 1 为a 型旋转锉的运动关系 分析图。其中已知参数为：a 型旋转 锉切削部分直径d o ；切削部分长度 l ；刀齿螺旋角b 。 分析其运动关系，刀齿的形成需 要沿x 轴的移动和工件绕自身轴线 的转动( a 轴) 二个坐标的运动来合 成。 由圆柱螺旋线螺旋角的定义，有 如下函数关系： 蛳可v a 譬 勖。删麟蝴鳓烁撕图 ：_ d a 式中：v a 一工件圆周线速度； v x x 方向移动速度； r o 一工件半径： i d x 一工件沿x 方向移动速度： i d a 一工件绕自身轴线转动速度。 天津大学确士学位论文 上式司写成： d a ：t g , b od x r o 两边积分： 睁= l 舡 得到： 口：t g i x ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 就是a 型旋转锉的刃磨运动模型。分析该模型可以看出，刃磨a 型 旋转锉时，仅需a 、x 二个坐标联动。坐标a 、x 之间为简单的线性关系，无需 处理，直接进行直线插补控制机床运动，即可实现刃磨加工。 3 2 圆柱形球头旋转锉( c 型) c 型旋转锉可以分成两部分：圆柱部分和球头部分，对上述两部分应分别 进行运动分析。其圆柱部分的刃磨运动模型，与上一节中a 型旋转锉完全相同， 即： 口：警x ( 3 - 2 ) 丑。 因此，本节只讨论c 型旋转锉球头部分的刃磨运动模型： 3 2 1c 型旋转锉球头部分的几何模型 为了保证球头部分刀齿的强度和与圆柱部分的光滑过渡，球头部分螺旋刀 刃的齿底曲线应位于一回转曲面上，该回转曲面的回转轴线应与旋转锉的轴线 相一致，其齿顶仍为球面曲线。 由文献 1 l 】可知，齿底回转面的母线应为一椭球曲线：该椭球球心与球头球 心o 重合，椭球长轴半径a = r o ，短轴半径b = ( r o 山) 。其中，凡为c 型旋 转锉的半径：t o 为起点处刀具齿深( 吃刀深度) ，由切削砂轮几何参数及旋转锉 齿数唯一确定。如图3 2 ，可列出椭球方程如下： 7 u2 + 竽- 1 “画法几何学”中，椭圆的近似画法有八心圆近似画法和四心圆近似画法。 为简化处理，本文采用四心圆画法将一段椭圆用两段圆弧的连接来代替。因此 整个齿底曲线可以分成两部分( 如图3 2 所示) ：部分( 图中a b 段) 为大圆 天津大学硕士学位论文 弧，另一部分( 图中b c 段) 为小圆弧。 如图所示，由椭圆的四心圆近似画法原理可知：a f = a e = t o ，o l g 是c f 的 垂直平分线，其延长线交椭圆于点b ，b 点即为椭圆大、小圆弧的分界点。可知 风一，n c g = f g = 竿= 竿= 盥卜- - - t o = 等盛些：a c - l o i b 。 故有：大圆弧部分圆心角o l = z a o l b = 么a c o = t g 1 警；小圆弧部分圆 0 心角c c ：= c 0 2 b = 0 0 2 0 i = 要一口；小圆弧部分半径r e = 0 2 c = 旦 r 一“一f o s i n a ：二二至2 五s i n 五c t 二二：鱼二生二鱼! 堡竺：鱼二生二生! 堡竺；大圆弧部分半径r 。： c o s 口2 s 协口c o s 口 s i n 2 口 0 1 a ：o i b ：0 2 b + 0 0 2 ：r 2 + p - r 2 。 由以上分析可以得出齿底椭圆各 部分的几何参数值： ra 呵1 警； t 丌 i 2i 一口 0 ，则给定点在抛物线上或抛物线的上方，为减小偏差，应向+ x 方向发进给脉冲；若f i 0 ，向+ x 方向发一个进给脉冲后， 则x 。= x + l ，y 。= y 。，此时，可推算出： d f i 】= f l + 2 x + ( 暑+ 1 ) ( 4 5 ) 若f 。 r ，时不存在 轨迹干涉；而当 0 p l r 时，则存 在轨迹干涉，产生过切。其中，l 为砂轮端面半径。 n 5 4 干涉分析示意图 3 ) 干涉量大小的近似计算公式为： = r a o 式t ： 一干涉量大小： r 一砂轮端面半径 e 一等于向量o p 与向量n 之间的央角减去9 0 。 天律大学硕士学位论文 如图5 5 所示，在实际刃磨c 型旋转锉时，砂轮工作面大圆在x o y 坐标 平面内的投影应为一椭圆： y 2， 素十忸一b y = r 。2 s i n 厶 式中：一砂轮安装角。 齿顶、齿底螺旋线的投影均为“s ”型曲线，二者的展开线相互重合也 就是砂轮工作面的投影。刃磨中的最大干涉点应在齿顶处砂轮与刀具接触 弧长的交点处( 齿根处理论上不存在干涉，因砂轮与齿底曲线之间是点接 触。) ，据此可以确定理论上的最大干涉量即为图中的。 b 齿底螺旋线投影( “s ”型曲线) 图5 5c 型旋转锉干涉分析示意图 ”型曲线) ( 齿顶、齿底重合) 面投菇 出以上分析可见随着砂轮半径的增大，轨迹干涉量亦增大。而在磨 削 j 11 2 中，为了提高加工效率，则希望采用较大半径的砂轮。解决这一矛 盾的方法是：根据允许加工误差来确定最大允许干涉量然后确定允许采 天津大学碗士学位论文 用的最大砂轮半径值；或者采用对干涉量进行补偿的方法，这将在下面一 节中详细论述。 5 3 2 轨迹干涉补偿方法 在实际磨削加工中，可采用以下两种方法来消除轨迹干涉： ( 1 ) 采用成型砂轮磨削 利用空间啮合原理，根据被磨曲面( “s ”形曲面) 方程求得砂 轮的精确截形，对砂轮进行修整。采用修整后的成型砂轮磨削，可 保证砂轮工作面与被磨曲面完全啮合，从而避免了轨迹干涉。但这 种方法只适合于加工截形基本保持不变的曲面( 例如a 型旋转锉或 c 型旋转锉的圆柱部分，其螺旋角与直径均固定不变。) ，而且成 型砂轮的廓形修磨非常困难，故其成本较高，一般仅用于大批、大 量生产。 ( 2 ) 砂轮端面偏离被磨曲面 在不宜采用成型砂轮磨削( 如磨削球头部分时，刀具容屑槽深 度随截面半径减小而减小，即加工截形是变化的) 或者在没有砂 轮修整机的情况下，一种简易而有效的消除干涉的磨削方法是，加 工时将砂轮偏转一个角度。如：采用砂轮端面磨削刀具前刃面时， 国外一些工具厂家推荐，使砂轮安装角偏离刀具螺旋角l 2 。， 从而使砂轮端面偏离已加工前刃面个微小距离，只让砂轮边缘的 一段圆弧与前刃面啮合。采用这一磨削方法加工，不仅可以消除干 涉，而且可以采用半径较大的砂轮磨削，从而可提高加工效率和并 可降低被加工表面的粗糙度。 上述采用将砂轮端面偏离被磨曲面1 2 。的磨削方法虽然可 以消除轨迹干涉，但由于磨削时砂轮工作面与被磨曲面接触太少， 砂轮磨损十分严重。作者经过实验研究发现较为理想的偏离角度 应为0 3 o 5 。这时不仅可以完全避免干涉，而且改善了砂轮 磨损情况，提高了砂轮的使用寿命。 3 4 - 天律大学硕士学位论文 第六章结论 本课题在原来研制的五坐标数控旋转锉刃磨机的基础上，首先分析了转化 为四坐标的可行性：然后研究了旋转锉的四坐标刃磨运动数学模型。给出了加 工程序框图：最后进行了实际刃磨试验，验证了前述分析思路和得出的刃磨运 动模型的正确性和可行性，并对加工出的刀具的几何角度和加工过程中的砂轮 轨迹干涉及补偿问题进行了分析。 综合以上研究和初步实践本文得出以下结论： ( 1 ) 通过分析球面变螺旋角的形成原理，得出球面螺旋线的螺旋角在过回转 轴线平面上的投影角始终保持不变。即砂轮轴线与刀具轴线夹角保持不 变的情况下，仍然能够刃磨变螺旋角螺旋线。 ( 2 ) 刀具数控刃磨的关键是建立适当的刃磨运动模型。刃磨运动模型的建 立，需根据刀具的几何模型，并结合机床的实际坐标结构，运用运动分 析的方法，确定形成刀具型面所需的机床坐标运动及各坐标运动之间的 关系。在此基础上，通过编程及对机床多坐标的联动控制，即可实现其 n c 刃磨。 ( 3 ) 刃磨实践表明本文所研究的旋转锉的四坐标刃磨运动模型是正确的， 据此确定的刃磨方法是可行的。初步结果表明，采用四坐标联动完全可 以实现旋转锉的刃磨。这就为简化机床结构、降低加工成本提供了理论 依据。 ( 4 ) 砂轮轨迹干涉问题，是数控工具磨床开发中比较复杂的也是比较关键的 问题之一本文对此进行了初步探讨提出改变砂轮摆角以减小干涉的 方法对实际加工具有一定的指导意义。但由于时间关系，未能对于涉 作出定量计算。 -l【lf-ri， 一霆堡茎堂堡主兰堡堡皇 参考文献 【l i 匡力红，“c m t 9 7 工具、刃具磨床展品评述”，磨床与磨削，1 9 9 7 4 【2 】李敏芳，“c i m t 9 5 展览会工具、刃具磨床介绍”，磨床与磨削，】9 9 6 1 【3 】李敏芳，“第三届中国国际机床展览会工具、刃具磨床介绍”，磨床与磨削，1 9 9 4 1 f 4 】沈秀莲，“8 0 年代国外工具刃磨床基本情况”，磨床与磨削，1 9 9 4 2 【5 】胡河，“浅论立铣刀刃磨机床的现状及发展前景”磨床与磨削，1 9 9 3 2 【6 】刘鹄然，“在各种数控磨刃机上加工旋转锉的成形通用原理”，磨床与磨削，1 9 9 5 。2 【7 】刘鹄然“在五坐标专用数控磨床上旋转锉的成形原理”，磨床与磨削，1 9 9 8 1 【s 】刘鹄然“球头端铣刀刀刃曲线的光滑连接”工具技术， 1 9 9 5 9 【9 】刘鹄然，“特种回转面刀具上的刀刃曲线”，工具技术，1 9 9 3 2 【l o i q 井玉“螺旋刀刃曲线的统一模型”，工具技术1 9 9 8 6 【1 l 】刘井玉等，“球头铣刀等法前角前刀面的几何模型，n c 磨削模型和仿真”工具 技术，1 9 9 8 3 【1 2 】肖金陵等，“球头立铣刀的数控刃磨加工”，工具技术1 9 9 5 6 【1 3 】龚智辉等，“刀刃c n c 磨削法及其在圆锥球头立铣刀上的应用”，工具技术， 1 9 9 7 9 【1 4 r i j 井玉、刘华明“球头铣刀平面型前刀面的几何模型和数控磨削模型研究”，哈 尔滨工业大学学报，l9 9 8 6 【1 5 张辉、姚南旬，“一次走刀磨削等螺旋角铣刀前后面的通用算法”，人连理工大学 学报，1 9 9 7 5 ， 6 1 周长秀、昊序堂、乐兑谦，“磨削平面曲线型刀刃的特种回转面刀具的原理”，西 安变通大学学报，1 9 9 2 6 1 1 7 1 周k 秀，“磨削具有等螺旋角刀刃的特种回转面刀具的原理”，尔南人学学报， 1 9 9 2 1 【1 8 】周长秀，“复台型刀刃的特种回转面刀具齿槽的成形原理”，东南入学学报，1 9 9 2 3 f 1 9 】易德明，龙美标“s 刃球头立铣刀的数学模型”，先进制造技术交流会议论文 1 9 9 0 1 2 0 l q k 世昌等，“五坐标数控旋转锉刃磨机”钥台机床与自动化加l 技求，1 9 9 2 2 【2l 】z h a n gs h i c h a n g ，“m u l t i a x i sc u r v e ds u r f a c ec u t t e rg r i n d i n gm a c h i n eb a s e do r m o t i o n s c o m p o s i t i o np r i n c i p l e ”，c h i n e s e j o u r n a lo fm a c h a n i c a l e n g i n e e r i n g v 0 1 6 ，n o4 1 9 9 3 ) 1 2 2 j s h ih a n m i n ，“g r a p h ；, cd e t e r m i n a t