数控机床旋转轴组合角度计算的创新研究

数控机床旋转轴组合角度计算的创新研究

为了提高大型女式车床和龙门床的加工精度，可在加工滑枕的前端安装直角钻、延长钻、专用钻等附件，延伸机械零件的长度、深度和角度。万能铣头有两个可调旋转轴,即在机床原X、Y、Z三轴基础上,增加C轴(绕Z轴旋转)和A轴(绕X轴旋转),通过数控或人工可对两旋转轴的角度进行组合调整,理论上可实现对任意角度的面或孔等的加工1复合铣头的角整倍数调整按C轴和A轴角度调整的自动化程度分类,分为数控自动调角、手动搬角度两类;按角度调整的定位方式分类,又可分为力矩电机驱动任意角调整、蜗轮蜗杆传动任意角调整、端面齿定位最小角整倍数调整三种。按万能铣头外形结构分类,分为45°万能铣头、(偏置式)90°万能铣头、音叉式万能铣头三类,三种铣头的优缺点对比见表1。其中,45°万能铣头空间结构紧凑,且传递扭矩较大,因此广泛应用于卧式镗铣床,尤其适合有限空间内的加工作业;90°万能铣头外形结构较大,但角度调整更加直观和灵活,因此主要应用于数控龙门铣床的开放空间作业,可方便实现一次安装中对工件周边5个面的加工;音叉式万能铣头具有结构紧凑和角度调整方便的优点,常见于数控龙门铣床,尤其是4轴或5轴联动龙门铣床,但缺点在于可传递扭矩较小。2传统worm产品的角积分布方法2.1两个面呈角度的斜面工件上的斜面分为两类,其中一类是指与坐标平面XY、XZ、YZ的其中一个面垂直,并与另外两个面呈角度的斜面,如图1所示A斜面,简称“单斜面”;另一类指与坐标平面XY、XZ、YZ均呈角度的斜面,如图1所示B斜面,简称“复合斜面”。在加工以上斜面时,为提高加工效率和加工质量,通常将万能铣头的A轴和C轴旋转特定角度,从而使铣刀端面平行于被加工斜面。2.2旋转轴的调整对于90°万能铣头和音叉式万能铣头,在加工“单斜面”时,仅需将铣头的A轴或C轴旋转相应α或β角即可,简单直观,方便调节。对于45°万能铣头,在加工“单斜面”时,一般情况下,需根据机床说明书附表,查询相应加工角度对应的两旋转轴的扭转度数,然后进行调整。另外,也可根据文献2.3复合铣头旋转角度对于“复合斜面”,文献对于大型工件上“复合斜面”的加工,理论上通过调整万能铣头A轴和C轴的旋转角度,可以使刀具的前端面与任意被加工斜面平行,从而提高刀具切削效率和被加工面的光洁度。此时,A轴和C轴旋转角度的计算是工艺难点。3用软件设计程序要求,将“复合斜面”设置在三维软件中以(偏置式)90°万能铣头为例,A轴和C轴组合角度的计算步骤如下:(1)忽略内部传动机构,将90°万能铣头的结构简化为滑枕连接部、C旋转轴部和A旋转轴部三部分,然后在三维建模软件中,分别建立铣头各部分的三维模型,连接部分以圆柱和圆形槽进行简化,如图2所示。(2)在三维软件中,新建90°万能铣头的装配文件,先导入“滑枕连接部”,并固定其位置;然后导入“C旋转轴部”,并约束“C旋转轴部”上端的圆柱与“滑枕连接部”下端的圆形槽同心,再约束两连接面共面,此时“C旋转轴部”可绕“滑枕连接部”中轴线任意旋转;最后,导入“A旋转轴部”,并约束“A旋转轴部”右端的圆柱与“C旋转轴部”左端的圆形槽同心,再约束两连接面共面,此时“A旋转轴部”可绕“C旋转轴部”中轴线任意旋转,如图3所示。(3)在三维软件中,建立被加工零件的三维模型,然后导入铣头装配文件中,添加被加工面与刀具前端面的平行或共面约束关系,此时,铣头的“A旋转轴部”和“C旋转轴部”自动旋转适应,满足上述约束关系,如图4所示。(4)利用软件“测量”功能,对“A旋转轴部”和“C旋转轴部”的旋转角度进行测量,从而得出两部分的旋转角度。当需要计算其它零件上“复合斜面”所对应的铣头旋转角度时,仅需将新零件模型导入铣头装配文件,重新约束和测量即可,方便高效,准确直观。另外,所呈现的铣头模型外观,仅为视觉上接近真实铣头,实际计算时,可以进一步将铣头各部分结构简化为长方体。4复合截面的计算阿赛尔无缝管轧机是重要的单机架无缝管轧制设备,其上、下两部分机架上设计有8处“复合斜面”,用于安装供桶形转鼓转动的铜滑板。8处“复合斜面”面积大,加工精度要求高,且该面上包含键槽、孔等加工要素,因此需严格保证万能铣头组合角度的计算精度。图4即为该下机架三维模型与铣头模型装配后的状态,通过施加模型约束,最终计算出两组“A旋转轴部”和“C旋转轴部”的旋转角度。利用该方法顺利完成了ue07e273mm～ue07e340mm系列阿赛尔轧机机架的加工。该创新方法为大型工件上“复合斜面”的加工提供了便捷的“工具”,并可应用在45°万能铣头“单斜面”的加工中,其显著效益如下:(1)该方法极大提高了数控机床各种类型万能铣头组合角度的计算效率,降低了计算难度。(2)通过电脑模拟,可直观显示工件摆放、铣头各部分旋转方向等信息,节省了机床操作人员的识图和铣头调整时间。(3)通过建立车间不同类型万能铣头的三维模型,可形成设备数字资料库,方便不同类型机