（机械电子工程专业论文）空间回转曲面加工及关键装置的研究.pdf

西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 嚣7 文篇尹：切椎 日期：, o i 7 。 指导教师签名：傈孑侈泛 日期痧一，多- i 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：坳辛彤伊指导教师签名：r - z 暑舜 日期：珈儿、广 日期炒，_ ， ， j ， i ， i 西华大学硕士学位论文 摘要 空间回转曲面零件在现代工业中的航空、航天、汽车、模具等行业得到了大量的应 用。由于空间回转曲面零件加工质量受到被加工机床的切削性能、刀具参数以及操作工 人技术水平的影响，难以保证整个零件曲面加工质量的一致性，从而难以满足一些精密 零件的质量要求。而在这些影响因素里面，刀具切削参数的变化是影响曲面加工质量的 最主要因素，因此如何保证在加工过程中刀具切削参数的一致性，成了提高空间同转曲 面零件加工质量的重要问题。 为了解决“空间回转曲面零件加工过程中刀具切削参数变化”的这一重要问题，本 文通过对空间回转曲面零件加工过程进行了理论分析，研究了在加工过程中切削速度、 刀具角度的变化，得出“传统加工方法加工的空间回转曲面零件质量不稳定，主要是因 为加工过程中刀具的切削角度的变化导致加工所得零件质量不一致”的结果。同时，主 轴转速恒定使得传统加工曲面零件不同曲率半径处切削线速度变化，影响曲面零件的表 面质量和刀具寿命。 基于上述分析，本文设计构思了在空间回转曲面零件加工过程中保持刀具角度和切 削速度不变的加工方法和措施，利用现代数控技术设计研究并开发了空间回转曲而零件 加工的工艺设备，设计了多轴联动数控机床，实现了保持刀具角度和切削速度不变的空 间回转曲面零件加工工艺设备设计、对被加工零件质量的提高及加工范围的扩大都有非 常重要的意义和实用价值。 本文在空间回转曲面零件加工理论分析的基础上，对空间回转曲面工艺设备进行了 总体方案设计和机械结构及关键零部件设计，重点对保持刀具切削角度稳定的回转转台 和车削刀架部分进行了详细的设计。完成了多轴联动数控机床的主要结构设计，对提高 曲面零件的加工质量，具有较高的理论意义和潜在的经济效益。 关键词：回转曲面加工；车削；恒定切削线速度；恒定切削角度；摆动装置 空间同转曲面加工及关键装置的研究 a b s t r a c t t h es p a c ec a m b e rp a r th a sg o tv a s ta p p l i c a t i o ni nm o d e mi n d u s t r i e so fa v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，a u t o m o b i l ea n dm o l de t c b u ta st h e i rp r o c e s s i n gq u a l i t yi sc o n s t r a i n e db yt h ec u t t i n g m a c h i n et o o lp e r f o r m a n c e ，q u a l i t yo ft h et o o l sa n dt e c h n i c a ls k i l lo ft h eo p e r a t o r s ，i t s d i f f i c u l tt oe n s u r et h ep r o c e s s i n gq u a l i t ys t a b i l i t ya n dm a k i n gi td i f f i c u l tt om e e tt h eq u a l i t y r e q u i r e m e n to fs o m ep r e c i s i o np a r t s o fa l lt h e s ef a c t o r s ，c h a n g eo ft h ec u t t i n gt o o l p a r a m e t e r si st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h es u r f a c ep r o c e s s i n gq u a l i t y ，s oh o wt o e n s u r ei t sc o n s i s t e n c yh a sb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ep r o c e s s i n gq u a l i t y i no r d e rt os o l v et h ec o r ep r o b l e mo f c u t t i n gt o o lp a r a m e t e rv a r i a t i o nd u r i n gc a m b e r p r o c e s s i n g ”，t h i sp a p e rc a r r i e so u tr e s e a r c ho nt h ec h a n g eo fc u t t i n gs p e e da n dt o o la n g l e d u r i n gp r o c e s s i n gt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h es p a c ec a m b e rm a c h i n i n gp r o c e s s ，a n d r e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tq u a l i t yi n s t a b i l i t yo ft r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o di sm a i n l yd u e t oc h a n g eo ft h ec u r i n ga n g l e m e a n w h i l et h ec o n s t a n ts p i n d l es p e e dc a u s e sc u t t i n gs p e e d c h a n g ea td i f f e r e n tc u r v a t u r er a d i u sa n dt h u sa f f e c t st h ep a r ts u r f a c eq u a l i t ya n dt h et o o ll i f e b a s e do nt h ea b o v ec o n cl u s i o n s ，t h ea u t h o rd e s i g n st h ep r o c e s s i n gm e t h o do fs p a c e c a m b e rp a r t sw h i l eh o l d i n gt h et o o la n g l ea n dc u t t i n gs p e e di np r o c e s s i n g ，a n dd e v e l o p st h e p r o c e s se q u i p m e n tu t i l i z i n gm o d e r nc n ct e c h n o l o g y , d e s i g n st h em u l t i a x i sc n cl a t h ea n d r e a l i z e sp r o c e s s i n ge q u i p m e n tk e e p i n gt h et o o la n g l ea n dc u t t i n gs p e e dc o n s t a n t ，h a v i n gg r e a t s i g n i f i c a n c e a n dp r a c t i c a lv a l u et ot h ep r o c e s s i n gq u a l i t yi m p r o v e m e n ta n dt h es c o p e e x p l a n a t i o n b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，d e s i g no f t h eo v e r a l lp r o g r a ma n dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e a n dk e yc o m p o n e n t si sd o n eo nt h ep r o c e s se q u i p m e n tf o c u s i n go nt h ed e t a i l e dd e s i g no ft h e t u r nt a b l ea n dt h et o o lh o l d e rm a i n t a i n i n gt h ec u r i n ga n g l es t a b i l i t y s t r u c t u r a ld e s i g no f s i x - a x i sc n cl a t h ei s p r o p o s e d t o i m p r o v et h em a c h i n i n gq u a l i t ya n dt oe x p a n d t h e m a c h i n i n gr a n g em a k i n gah i g ht h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cp o t e n t i a l k e yw o r d s ：r o t a r ys u r f a c em a c h i n i n g ；t u r i n g ；c o n s t a n tc u t t i n gs p e e d ；c o n s t a n tc u t t i n g a n g l e ；s w i n gd e v i c e i i 西华人学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪 仑。l 1 1空间回转曲面加工方法研究的目的与意义一l 1 2 空间回转曲面国内外发展现状及趋势2 1 3 研究的来源、技术背景、主要内容4 1 4 、结4 2空间回转曲面加工原理分析与研究5 2 1 空间回转曲面传统加工方法7 2 1 1 空间回转曲面典型零件传统加工方法分析7 2 1 2 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的前角及线速度变化问 题1 0 2 1 3 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的主偏角及线速度变化 问题1l 2 1 4 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的切削线速度变化问题 1 ：1 2 2 新型空间回转曲面加工思想方法及加工方案1 3 2 2 1 新型空间回转曲面零件车削加工方法及原理1 3 2 2 2 新型空间回转衄面车削机床结构15 2 3 新型空间回转曲面车削的优点1 5 3 空间回转曲面车削加工理论分析1 8 3 1 凸轮车削理论分析1 8 3 2 手柄车削原理分析。2 2 3 3 主轴变转速控制实现恒定线速度2 7 4 空间回转曲面车削机床结构设计与分析2 8 4 1 功能原理分析2 8 4 2 机床总体结构和总体结构方案设计3 1 4 2 1 机床运动系统的方案设计3 l 4 2 2 床身和导轨的设计3 2 4 2 3 主轴功能设计概述3 8 4 2 4 主轴箱部件结构设计4 0 i i i 空间回转曲面加工及关键装置的研究 4 3 进给机构的结构设计4 4 4 3 1 进给结构设计概述4 4 4 3 2z 向进给结构的设计4 5 4 3 3x 向进给结构的设计4 6 4 3 4y 向进给结构的设计4 7 4 3 5 回转工作台结构的设计4 9 5 空间回转曲面加工关键装置研究5 l 5 1概述5 l 5 2 刀架回转台功能分析5l 5 3 刀架回转台功能分析5 3 5 - 3 1刀架的总功能分析5 3 5 3 2 刀架的功能分析及结构组成5 3 5 4 整机结构运动分析5 6 结论5 9 参考文献6 0 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果6 2 致 射6 3 i v 西华大学硕士学位论文 1绪论 科学技术的日益发展，采用数控技术的加工机床衍生出了在加工领域中的新技术、 新设备、新工艺和新的测试技术及仪器，其中以精密加工技术和超精密加工技术、高能 束加工技术、高速加工技术和虚拟制造技术等为典型。这些先进制造技术的发展提高了 生产的效率和产品的水平，为社会和企业带来了极高的经济价值。过去的几十年，在机 械加工技术的研究上，重点针对缩短非机加工时间，着力提高加工的效率。数控技术问 世前夕，超过百分之七十的时间是被用在工件的上下料、换刀、测量、调整机床等，这 无疑增加了机床的非加工时间，降低了加工效率。自数控技术出现以来，逐渐形成了以 它为技术支撑的柔性制造自动化技术，极大缩短了工件加工的辅助时间，提高了生产效 率。数控技术的快速发展也使得一些外形奇特的工件的生产加工成为可能，并越来越简 化。多轴联动的数控机床，实现了以凸轮、外形轮廓为曲线的回转零件、极不规则的空 间曲面零件的加工，可以实现普通机床难以实现的加工，可以达到普通机床不可能达到 的零件加工质量。伴随着柔性技术的发展，迅速响应市场的单件小批量生产得以成熟发 展并投入企业运用。 空间回转曲面零件在当今很多领域都在运用，如航空航天、航海、机械工业等。随 着空间回转曲面零件应用，其精度要求也越来越高心1 。 1 1 空间回转曲面加工方法研究的目的与意义 空间回转曲面零件在当今机械行业得到普遍采用，如蜗杆、凸轮、蜗轮、曲轴以及 其他不规则回转曲面零件。各种同转曲面零件更是普遍运用在航海、航空、小车、模具 等领域。这些工件通常形位误差小、外形结构繁杂、表面质量高、加工困难，加工质量 不稳定。所以，研究这类零件具有实际意义。 空间回转曲面常见的精密加工工艺主要有仿形加工、数控加工、电解加工、精密锻 造或铸造等加工方法。例如主要用于大传动比和高精度传动要求的机床、分度装置、机 器人、伺服传动系统以及电子跟踪系统的回转机构等的各种蜗杆传动的齿面的精密加 工，它是保证承载能力高、传动平稳的关键加工工序。 近年来，市场要求产品的生产周期短，交货期短，对市场响应快。在这样的生产模 式下，增加了缩短产品投放市场周期的难度，谁能够以最快的速度提供客户要求的产品， 谁就能赢得市场主动权。企业竞争力主要体现在企业能提供的产品功能实用、交货期短、 质量优良、价格低、服务优质 1 。尽管目前广泛使用的传统四轴四联动电火花线切割机 床能够实现常规锥度曲面零件加工，甚至有的也可以加工上、下不规则的锥度曲面零件， 空问回转曲面加工及关键装置的研究 却难以实现球面、螺旋面等难加工曲面零件的加工。当前国内外在控制系统领域研究的 焦点集中在：多轴多通道控制、高精度加工控制、高速、多插补功能如法拉克系统已经实 现了线性插补、圆弧插补、渐开线插补、螺旋线插补、样条曲面插补、指数函数曲线插 补、圆柱面插补、极坐标插补等插补功能h 。 在加工方面，复杂曲面零件的精加工多采用五轴联动的数控机床、以点接触的方式 加工，采用球头刀、鼓形刀等刀具基本上能够实现任意不规则曲面零件的加工。在零件 的加工进行中，刀具和工件被加工处只有极小的一点和它周围小邻域内接触，以点、线 的方式拟定走刀轨迹，刀位容易算出，可以应用在任意曲面零件的加工，其应用场合广。 然而这种加工方式有理论误差的影响，其加工质量受到插补精度及机床精度的影响，生 产效率不高。加工过程中造成的表面质量主要受直线拟合误差和切削行之间的残余高度 的影响。该加工方法有下列不足之处存在：因为工件被加工处和刀具接触区域理论上为 一点，接触区域小，生产效率低；而且，因为刀具在与工件的接触区域中曲率半径的变 化，使得切削刃上各点加工的线速度不一致，导致零件加工的曲面部分质量很低，一致 性较差。因为加工表面质量限制切削行的宽度：切削行越宽，加工质量越低，而效率越 高，这就产生了加工质量和生产效率难以调和的矛盾吲。 综上，如今的空间曲面零件的加工方法还存在有下列问题： l 、传统的车削仿形法存在加工过程中刀具的前角、后角、主偏角、负偏角在加工 过程是变化的，从而导致加工表面质量不稳定、不一致。 2 、普通机床无法完成复杂异形曲面的加工。虽然用现代化的多轴联动加工中心可 以实现空间回转曲面的加工，但存在着设备昂贵，加工效率低，加工成本高等缺点。 3 、现在还没有能够在同一机床上完成曲面的车、铣、磨等多种加工工艺的高效加 工设备。为了降低成本，提高空间回转曲面的加工效率和加工精度，研究专用多功能回 转曲面加工对改善现有加工方法中的问题具有重要的意义。 同时，对高效高精度多功能回转曲面加工设备的研究具有重要的理论价值和现实指 导意义。 1 2 空间回转曲面国内外发展现状及趋势 复杂外形曲面零件通常是单件或小批量生产，而传统的生产方式多由制造毛坯、砂 轮打磨、样件检验等主要生产过程构成。这样的加工方式，存在着人力工作强度大，加 工质量低，生产效率不高，加工质量精度难以保证。现实生产过程里，往往通过数控技 术完成不规则曲面零件的加工。数控技术的研究朝着更加高级的方向发展，曲面零件加 工向着计算机辅助设计和计算机辅助制造一体化方向发展，是机械行业的发展趋势。当 2 西华人学硕士学位论文 今：机械行业众多公司开发的三维软件产品如美国e d s 公司的u g 软件、s o l i dw o r k s 、 p r o e 等具有曲面设计建模和数控加工插件，曲面造型与数控加工能力。我国自主研制 的计算机辅助设计和计算机辅助制造软件也出现了。因此，复杂曲面零件的加工制造已 开始向着计算机辅助制造发展，加工质量和生产效率都得以很大地提升嫡1 。 多年来，人们不断地探索方便、灵活、实用的曲线曲面构造方法。机械工业技术水 平日益提高，形状复杂的曲面零件得到了日益广泛的应用。虽然回转曲面零件的成型理 论复杂，加工不便，质量难以保证，但是随着计算机信息技术的日益发展，控制技术的 日益成熟而衍生出来的数控技术就在曲面零件加工中普遍采用。采用先进的数控技术加 工取代传统的手- r ) j i 工和仿形加工，使得曲面零件的加工效率得到很大提升，机床的加 工范围得到扩展。与此同时，曲面零件加工的更多要求也迫使数控技术逐渐向高精度、 集成化、复合功能、高效发展方向发展。 近年来重庆三磨海达磨床有限公司、重庆市材料表面精密加工及成套装备工程技术 研究中心、重庆大学等单位历时二年的奋力攀登，大型汽轮机复杂叶片高效精密加工六 轴联动数控砂带磨床被顺利开发出来，打破了国外技术保护的僵局，实现自主技术的突 破。国外的砂带磨削发展十分明显，自动化加工水平的日益发展，多轴数控砂带磨床、 机器人砂带磨削中心、砂带磨削f m s 、并联机构的数控砂带磨床都已经在欧美日等国得 到应用聃】。典型的回转曲面加工方法及设备如下： 凸轮加工方法及设备： 五坐标数控机床加工弧面凸轮，不但可以实现靠刀法加工，而且还可以通过多坐标 联动控制调整数控机床的加工范围和参数。根据各个参数之间的关系编制出程序软件。 通过灵活运用，可以充分发挥机床的功能，提高机床的效率，从而加工出高质量的弧面 凸轮。 蜗杆加工及其设备： 蜗杆副的加工方法主要有对偶范成法、非对偶范成法和数控加工法。平面二次包络 环面蜗杆副目前多采用范成法加工。西华大学和重庆入学研制的平面二次包络四轴四联 动数控磨床正是适应这种加工而提出来的，它达到x 、y 、z 三轴三联动，从而使砂轮 的产形面一直与基圆相切，它们与蜗杆主回转运动合成实现四轴四联动，从而实现蜗轮 与蜗杆的配合动作。 未来制造自动化技术正朝着制造集成化、制造智能化、制造敏捷化、制造虚拟化、 制造网络化、制造全球化、制造绿色化方向发展们。 3 空问回转曲面加工及关键装置的研究 1 3 研究的来源、技术背景、主要内容 鉴于空间回转曲面零件在现代化建设中的应用非常广泛，而且发挥着越来越重要的 作用，因此其加工设备的开发与研究变得很重要。该课题研究来源于上海合纵重工机械 有限公司委托西华大学数控研究所研发的多轴联动数控磨床的项目。本论文以此项目为 依托，研究的主要内容为： ( 1 ) 综述空间回转曲面加工国内外的发展及现状； ( 2 ) 研究分析、归纳现有空间回转曲面加工方法所存在的问题； ( 3 ) 构思一种新的空问回转曲面零件的加工方法，用以提高空间回转曲面零件的 加工质量，改善切削状态，延长刀具寿命； ( 4 ) 对新方法加工原理的理论分析； ( 5 ) 对空间回转曲面零件加工的新方法的工艺装备进行设计。 1 4 小结 本章主要讲述了空间回转曲面的传统加工方法，了解空间回转曲面加工目前国内外 的发展状况。并分析传统空问回转曲面加工中存在的缺点、加工设备的不完善及发展现 状提出了相应的改进措施。最后提出了本研究的来源、技术背景、主要内容以及论文要 完成的工作。 西华大学硕士学位论文 2 空间回转曲面加工原理分析与研究 随着科学技术的不断发展，模具、航天等行业中一些批量不大、精度要求高的复杂 曲面零件对加工质量提出了更高的要求，仅仅依靠传统的切削方法很难满足这些零件高 精度和高效率的加工要求j 。 空间回转曲面按照径向和轴向的变化可分为：只沿轴向变化的零件( 最常见的车削 加工：外圆柱面、内孔面，图2 1 ) 、只沿径向变化的零件( 如凸轮轮廓加工，图2 2 ) 、 只沿轴向变化的零件( 如手柄手握部分轮廓面加工，图2 3 ) 、既有沿轴向变化又有径 向变化的零件( 如自由曲面的加工，图2 4 ) 。 面 外圆拄面 图2 1 圆柱面及内孔面加工 f i g 2 1 m a c h i n i n go fc y l i n d r i c a la n db o r es u r f a c e 图2 2 凸轮轮廓加工 f i g 2 2 c a mc o n t o u rm a c h i n i n g 空间回转曲面加工及关键装置的研究 图2 3 手柄轮廓加工 f i g 2 3 h a n d l ec o n t o u rm a c h i n i n g 图2 4自由曲面加工 f i g 2 4 f r e e - f o r ms u r f a c em a c h i n i n g 第一类为普通车削加工，刀具在加工柱面时前角、后角、主偏角、负偏角等切削参 数保持不变，刀具的切削线速度保持不变，被加工零件表面能获得均衡、稳定、一致的 质量，并且比较容易加工得到较高精度： 第二类零件在加工过程中，刀具的前角、后角以及切削线速度都在发生变化，被加 工零件难以获得稳定一致的表面质量。 第三类零件在加工过程中，刀具的主偏角、副偏角以及切削线速度都在发生变化， 被j u t 零件得到的表面质量不稳定，精度均匀性难以保证。 第四类零件在加工过程中，刀具的前角、后角、主偏角、副偏角以及切削线速度都 在发生变化，被加工零件得到的表面质量不稳定，精度均匀性很难保证。 其中，对于第二类、第三类零件的角度变化都是相对单一的，而第四类零件在加工 过程中伴随着多个参数的变化。这类零件为一般空间曲面零件，如螺旋桨、叶轮液片等， 在对它们进行切削加工的过程中，曲面零件被加工处刀具前角、后角、主偏角、负偏角 等切削参数都在动态变化，切削线速度也随着曲率半径的变化而变化，导致零件加工的 质量不稳定，表面一致性很差，并且得到加工面的精度不高。 6 西华大学硕士学位论文 2 1空间回转曲面传统加工方法 在空间回转曲面零件的传统加工方法中，主要是采用靠模加工和仿形加工【l 2 | 。 无论是靠模加工还是仿形加工，随着加工过程中曲率半径变化，车刀的切削参数( 主 偏角、负偏角、前角、后角等) 实时变化，尤其是诸如凸轮等非圆度较大的零件在加工 过程中，刀具的切削角与切削速度随加工凸轮位置不同会发生很大变化，加之主轴转速 恒定，难以实现在凸轮曲率急剧变化的过程中切削线速度与之实时匹配，因此难以保证 零件加工后表而质量的稳定，同时刀具的寿命也会缩短i l 3 1 。 对于曲率变化的曲面零件加工，加工质量与刀具寿命成了传统加工方法难以获得较 高质量的瓶颈。 2 1 1 空间回转曲面典型零件传统加工方法分析 凸轮、手柄、蜗杆等空间回转曲面零件的车削加工方法有：仿形法、双手操作法、 靠模法等。下面分别针对凸轮车削和手柄车削加工方法进行分析 1 4 0 s ： ( 1 ) 凸轮车削加工“们 凸轮机构在各种机器的应用中，主要存在两方面的问题，由于凸轮机构是高副机构， 其一是承载能力低，其二是高速下容易出现误操作和控制失灵的情况。即使凸轮理论上 的运动规律是无冲击的，而实际机构的冲击却往往不可避免，这是因为凸轮的成形曲面 加工远较其它规则表面困难，误差是不可避免的，而且往往很大。此外传统加工方法很 难保证表面质量的一致性，也难以得到高精度的凸轮。 如图2 5 所示为车削凸轮不同曲率半径的时候，刀具与凸轮的相对位置情况，通过 反转法不难得出传统的凸轮车削所存在的问题： 加工曲率半径变化较大的部分时，车刀的前角和后角变化也非常大，导致加工后 凸轮在各表面质量不一致，往往很难满足高精度凸轮要求； 在一定刀具角度和切削速度下，由于曲率变化小的部位容易获得较高质量，而曲 率变化大的部位可能加工质量较差，使得加工得到的凸轮整体质量不一致。根据“木桶 效应”，加工的表面精度最低的部位将会影响到零件的综合加工精度； 凸轮车削线速度变化较大，对刀具的冲击振动较大，影响刀具寿命和零件表面的 加工质量。 空间同转曲面加工及关键装置的研究 图2 5 传统凸轮加工反转法示意图【1 钉 f i g 2 5 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h er e v e r s a lm e t h o do f t r a d i t i o n a lc a mp r o c e s s i n g 综上可知，要想提高凸轮的加工质量，需要改进传统加工方法，使得在车刀车削凸 轮不同曲率半径部位，横向进给的同时，还需车刀在纵向有一个摆动，使其适应车削不 同曲率半径部位时刀具切削前角保持不变，从而保证加工的整体精度和表面质量的一致 性。 ( 2 ) 手柄车削加工n 刚 双手操纵法：左手摇动中拖板( 横溜板) 手柄，右手摇动小拖板手柄，或者左手 转动大拖板手轮，右手摇动中拖板手柄，两手恰当配合，使刀尖的运动轨迹与被加工的 型面线相符。这种方法适用于型面比较简单，难以加工出准确的轮廓曲线，只适用于精 度要求较低和生产量较少的情况。 一) 手l 小拖板手动调整方向 动l 一 婆j 成形刀车削法：把切削刀具刃磨成工件成形面的形状，从纵向或横向进给将工件 d n - i - _ 为成形面的车削方法。对于复杂的多段成形面加工的时候，常采用将成形面分段制 成成形车刀，再分段加工。车削i 勾j l - 圆弧较大、数量较多的成形面时，常采用此方法。 西华大学硕士学位论文 图2 7 为成形法车削加工，刀具只做纵向进给便能加工出图示零件的成形部分来。 图2 7 成型法车削加工 f i g 2 7t u r n i n gs h a p i n gm e t h o d 仿形法：它具有劳动强度小、生产效率高、质量好等优点，是一种比较先进的车 削方法，适用于产品数量大、质量要求较高的大批量生产。仿形法有靠板靠模法和尾座 靠模法。 a 靠板靠模法车削成形面 如图2 8 所示，靠板靠模法车削成形面，实际上是在普通车床上安装与车削的成形 面形状相同的靠模板，使固定在中溜板上的靠模板滚柱紧贴靠模板的成形面进行运动， 从而使刀具运动的轨迹与靠模板的成形面完全相同，从而车削出成形面。 1 ) 车刀2 ) 成形面3 ) 拉杆4 ) 靠模5 ) 滚柱 图2 8 靠板靠模法车削成形面 f i 醇8 f o r m e ds u r f a c et u r n i n gw i t ht h es h a p e db o a r do rm o d e l b 尾座靠模车削成形面 9 空间同转曲面加工及关键装置的研究 这种方法与靠板靠模相似。不同之处在于把靠模装在尾座的套筒上，而不是在床身， 导向零件也由滑槽变为n t 好的样本零件。 2 1 2 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的前角及线速度变化问题 传统车削加工中，被加工零件沿径向的切削用量、曲率半径实时变化，导致零件不 同曲率半径处的加工质量不一致，表面质量较差，刀具的使用寿命降低。 在车床上车削凸轮，其原理为凸轮在车床主轴带动下以某一恒定转速运动，车刀在 径向方向上以一定的规律做往复直线进给运动。车刀往复运动的规律由凸轮的外轮廓来 决定。在加工过程中因为曲率半径的变化导致不同地方车刀的切削角度发生变化，切削 用量及切削线速度也在变化，使得加工质量难以保证【l 引。 如图2 9 所示，车刀在凸轮加工的不同点处刀具的前角是变化的，当加工从图a 位置变化到图b 位置时，刀具前角由变成了。 同时，当加工从图a 位置变化到图b 时，其曲率半径发生了变化，从p 变成了p ， 因为v = p x ，而p p 。，因此切削线速度也发生了变化乜0 1 。 图( a ) 1 0 西华大学硕士学位论文 图( b ) 图2 9 车削过程中车刀前角变化 f i g 2 9 r a k ea n g l ec h a n g ed u r i n gt h et u r n i n gp r o c e s s 向 2 1 3 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的主偏角及线速度变化问题 传统车肖* j j n 工中，加工诸如手柄之类的曲率沿着轴向变化的零件，因为它的外轮廓 曲率半径实时变化，导致零件沿着轴向不同曲率半径处的j j 口- r 质量不稳定，表面的质量 较差，刀具的使用寿命降低。 车削手柄，其原理为手柄在车床主轴带动下以某一恒定转速运动，车刀在径向方向 配合轴向上以一定的规律做进给运动。车刀运动的这个规律由手柄的外轮廓来决定。在 加工过程中因为曲率半径的变化导致车刀的切削角度发生变化，切削用量及切削线速度 都在变化，使得手柄的加工质量难以保证【2 。 如图2 1 0 所示，车刀在手柄加工过程中，从a 点位置到b 点位置，刀具的主偏角 从砖变成了七，。同时，刀具的曲率半径也发生了变化，从p 变成p 。由于主轴转速c o 恒 定，而p p ，由公式1 ，2p xc o 可知，从a 点位置到b 点位置的加工过程中，刀具的切 削线速度发生了变化。 空间回转曲面加工及关键装置的研究 图2 1 0 车削过程中车刀主偏角变化 f i g 2 10e d g ea n g l ec h a n g ed u r i n gt h et u r n i n gp r o c e s s 2 1 4 空间回转曲面零件的传统加工方法所存在的切削线速度变化问题 因为凸轮的半径是不恒定的，而且变化较大，因此在加工凸轮外轮廓时刀尖切削的 线速度也在发生急剧变化。根据下式： v = p x 缈 其中，v 切削线速度 缈主轴转速 p 切削点半径 显见，被加工零件凸轮曲率半径的大范围变化，使得切削线速度相应急剧变化，这 将严重影响到零件的加工质量和刀具的使用寿命。 同理可得，手柄车削过程中，车刀的切削线速度也在发生变化。 综上所述，影响工件加工质量的因素主要是刀具前角、后角、主偏角、负偏角，以 及切削线速度，它们的变化是影响不同曲率半径部位加工精度的主要因素。因此，在既 定材料的情况下，我们通过改善零件加工过程中切削参数变化的影响，可以达到改善零 件加工质量的效果。为此提出一种新型的空间回转曲面加工的方案，解决空间同转曲面 j l i 切削参数的变化，保证被加工零件的质量稳定和较高的精度要求乜引。 西华大学硕士学位论文 2 2 新型空间回转曲面加工思想方法及加工方案 在曲面零件的加工过程中，刀具几何参数的动态变化是影响曲面零件的主要因素， 因此设计方案中解决切削参数变化的问题是主要技术难关。 本文提出，解决刀具加工过程中实时调整刀具的前角、后角、主偏角、负偏角的变 化，根据被加工零件的曲率变化规律实时调整主轴转速，实现恒线速度切削加工，从而 达到加工过程中刀具始终处在曲面零件的最佳切削状态，从而保证加工质量的一致性， 提高空间回转曲面零件的加工质量雎3 1 。 2 2 1 新型空间回转曲面零件车削加工方法及原理 本文提出的新型空间回转曲面零件车削是在车削加工曲面零件时，利用伺服控制系 统实现刀架和车床各轴联动控制功能。通过伺服控制系统控制车削刀架和车床各轴的联 动，带动车削刀架在径向与轴向联动进给的同时，还能实现刀架的上下摆动、左右摆动， 使车刀刀尖与工件表面的接触点处切削角度( 前角、主偏角) 始终保持不变，车刀刀尖 的切削线速度保持不变，从而自动适应被加工曲面零件的曲率变化，优化切削过程，消 除车削刀具刀尖切削参数变化对曲面零件加工质量稳定性的影响。 下面通过一些简单零件的加工过程为例，简要分析说明新型空间回转曲面车削的加 工原理 。 1 叫璃法线；2 一车刀；3 点法线； 4 工件；5 夹具 图2 1 1自适应曲率加t 原理图 f i g 2 11 s c h e m a t i cd i a g r a mo f a d a p t i v ec u r v a t u r em a c h i n i n g 空间回转曲面加工及关键装置的研究 加工图示2 1 l 曲面零件a b 段时，被加工部分是以0 点为圆心，夹角为a 的一段圆 弧，要使该段加工质量保持一致，由于a b 段夹角为a ，刀具从a 点到b 点的切削过程中， 行进方向始终与被加工曲面相切，因此刀具从a 点到b 点也要转过a 角度，并且保证角 度变化与曲率变化相适应。若车床主轴恒定转速运动，那么在不同曲率半径处车刀切削 的线速度会发生变化，因此本新型空间回转曲面车削要求具有主轴转速控制功能，通过 控制能自动适应不同曲率半径处主轴转速的变化，保证车刀切削线速度不会发生变化， 从而保证车刀的使用寿命。 车刀在车削过程中通过伺服电机驱动刀架的摆动机构和竖直方向进给机构，从而使 该两电机联动，实现刀具加工a b 段时，始终与该段变化曲率半径对心。 图2 1 2 转台旋转进给加工原理图 f i g 2 1 2d i a g r a mo f t u r n t a b l er o t a t i n gf e e dp r o c e s s i n g 加工如图2 1 2 所示的回转曲面零件，该零件圆弧段为外圆零件。通过进给轴z 轴 和y 轴的调整，使转台的回转中心与被加工零件的圆弧段圆心0 重合。在加工图示a b 圆弧段时，只需要转台做旋转进给运动，即可完成圆弧段a b 的加工，并且保证了在加 工该圆弧段的过程中，刀具的切削角度保持不变。 西华大学硕士学位论文 图2 1 3 新型空间回转曲面机床车削凸轮原理图 f i g 2 13d i a g r a mo fc a mt u r n i n go nt h en e wt y p eo fs p a c ec a m b e rm a c h i n e 加工图示2 1 3 凸轮零件外曲面轮廓a b 段时，因为凸轮半径的变化，车刀在车削过 程中要保证切削角的恒定，在凸轮不同曲率半径处刀架摆动以适应曲率的变化。 如上图2 1 3 所示，用反转法分析凸轮车削时的过程：当凸轮在主轴上绕着回转中 心d 从a 点旋转到b 点时候，要保证车削凸轮过程中车刀的切削前角保持恒定，必须 使摆动装置动态摆动一定角度与之相适应。 2 2 2 新型空间回转曲面车削机床结构 新型空间回转曲面车削机床的基础结构设计与车床布局类似，如图2 1 4 所示，所 不同之处在于在x 向滑座上安置了一个y 轴回转台，其上可以配置多种特殊附件：一种 是磨削附件：一种是车削附件；还有一种是铣削附件。机床采用不同的附件，就具有不 同的独特功能，这些功能可以完成多种特殊空间曲面的车削和磨削加工，实现专用机床 上不同附件配合对于多种零件的通用化加工。 2 3 新型空间回转曲面车削的优点 与传统的加工方法相比，采用多轴联动机床进行加工的新型空间回转曲丽车削具有 1 5 空间回转曲面加工及关键装置的研究 此方案不仅可以实现凸轮、手柄等一般回转曲面零件的车削加工，还可以实现一些 特殊曲面零件的加工，理论上可以达到任意曲面零件的加工。还可以把刀架换装上铣削 头、磨头，组合实现多种加工方法。 图2 1 4 新型空间回转曲面机床结构 f i g 2 1 4 s 仃嘣u r eo f t h en e wt y p eo f s p a c ec a m b e rm a c h i n e ( 2 ) 零件尺寸范围较大 如图2 1 5 可知，尺寸增大或减小时，x ，z 的变化很小，所以加工的尺寸基本不受 限制，而且机床结构紧凑。普通的转台加工方案难以实现环面蜗杆的中心距太大或太小 的加工。 ，。 。口w t _ a l tr 啊i o t ! i t j +i o j “ e #7 t vl 十u ij ：r u p “，f n j ：。一 r 。j _ ；r i q ， - i ： w - j 5 ，l # ， 图2 1 5 环面蜗杆加工中心距虚拟化原理 f i g 2 15p r i n c i p l eo fh y p o t h e s i z e dc e n t e ra b o u ta n n u l a rw o r m 西华大学硕士学位论文 结合图2 1 5 和图2 1 6 可知，通过x 和z 轴插补来达到蜗轮虚拟中心距的方法，改 造后的多轴联动数控机床，能够实现中心距范围变化较大的蜗杆的切削加工。由于圆弧 插补中心是以零件尺寸编程时设定的参数，并不需要工作台移动到实际中心距位置，工 作台工作时实际移动的距离为x 、z 蜗杆的圆弧半径。 图2 1 6 多轴联动磨床工作原理图 f i g 2 1 6t h e o r yi l l u s t r a t i o no f d e s i g n i n g ( 3 ) 加工效率高 传统的加工方法，在车削回程时要按原来的轨迹返回，然后再进刀，由于在这段时 间车刀并不参与切削，所以浪费了很多时间。数控加工方案中，在同程时可以通过程序 设定，使车刀退出曲面零件一段距离，快速返回，然后再次进刀。这样，零件的加工效 率大大提高。 ( 4 ) 调整方便 普通机床加工曲面工件时必须根据被加工零件的曲率变化进行进给调整，而本多轴 联动机床只需通过参数设定，结合被加工零件程序就可以调整、校正它的进给运动。机 床操作极其方便，加工时只需输入程序和相应的参数设置。 空间回转曲面加工及关键装置的研究 3 空间回转曲面车削加工理论分析 空间回转曲面的加工分解