基于MasterCAM的等牙頂寬變螺距螺桿的數(shù)控四軸銑削加工

孔杰，覃嶺，高文博，揭曉

(1.貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州凱里556000;2.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東順德528333;3.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州318020)

變螺距螺桿廣泛應(yīng)用在塑料、橡膠、造紙、飲料灌裝、航空機(jī)械、船舶工業(yè)等領(lǐng)域[1]。所以，此類螺桿的加工也日益成為工程技術(shù)人員需要考慮的問題。

變螺距螺桿的加工方法較多，目前主要有如下幾種:(1)仿形銑削加工法[2]，這種方法是銑刀在繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，工件一方面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面作不等速的軸向移動(dòng)，刀具在工件上加工出變螺距螺旋槽;(2)刀具變速移動(dòng)加工法[3]，這種方法采用普通車床加工，在工件作勻速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，刀具根據(jù)螺桿螺旋線變化的規(guī)律沿工件軸向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng);(3)數(shù)控車削加工[4]，是用數(shù)控加工程序控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，得到要求的變螺距螺桿;(4)數(shù)控銑床加工法[5]，特別是四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床加工，由于可以降低夾具、刀具成本，同時(shí)提高產(chǎn)品加工精度，因此應(yīng)用越來越多，已逐步成為企業(yè)加工變螺距螺桿的主要方法。

1 等牙頂寬變螺距螺桿結(jié)構(gòu)分析

這里以圖1所示等牙頂寬變螺距螺桿進(jìn)行螺桿的結(jié)構(gòu)分析。

圖1 等牙頂寬變螺距螺桿

該螺桿為右旋變螺距螺桿，螺桿的初始螺距為16 mm，螺桿螺距增量為2 mm，螺旋線為8圈，牙頂寬為3 mm，螺桿螺距的排列符合等差數(shù)列規(guī)律，即:

式中:Pn為第n圈螺旋線的螺距，單位為mm;

n為螺旋線圈數(shù);

P1為初始螺距，單位為mm;

K為螺距增量，單位為mm。

將已知條件代入式(1)，得到螺桿的最大螺距為:

Pn=16+(8+1)×2=34 mm

螺桿螺旋線上任意點(diǎn)至螺旋線起始點(diǎn)，在螺桿軸線方向上的距離為Sn，Sn符合等差數(shù)列前n 項(xiàng)和規(guī)律，即:

將已知條件代入式(2)，得到螺桿螺旋部分軸向總長為:

由計(jì)算機(jī)圖形學(xué)及解析幾何學(xué)可知，螺桿螺旋部分是由一梯形截面繞螺旋線導(dǎo)動(dòng)形成，根據(jù)圓的參數(shù)方程得到螺旋線參數(shù)方程為:

2 等牙頂寬變螺距螺桿四軸加工工藝

2.1 數(shù)控加工工藝流程分析

采用四軸立式加工中心進(jìn)行螺桿螺旋槽的銑削加工，通過x軸與A軸的聯(lián)動(dòng)完成銑削螺旋槽的加工任務(wù)(即A軸旋轉(zhuǎn)一周，銑刀x 向走刀一個(gè)螺距)，用分層斜進(jìn)法通過z軸進(jìn)給進(jìn)行分層銑削[6]。由于徑向加工余量較大，應(yīng)采用徑向(即z 向)分層法進(jìn)行銑削，又因?yàn)槠渥畲舐菥嘁堰_(dá)34 mm，為了減小刀具加工時(shí)的切削力，保證刀具安全，沿螺桿軸向 (即x向)的切削余量必須分為多次進(jìn)刀加工。在加工工藝上，把徑向(即z 向)加工余量分為若干層，如圖2所示(圖中的梯形為螺桿中一個(gè)牙槽的總余量)，首先在螺旋槽中線上粗加工，再由外至內(nèi)分層加工，具體層數(shù)可由銑刀背吃刀量確定，各層加工沿梯形牙槽左側(cè)向下斜進(jìn)，斜壁錐角為15°。

圖2 分層銑削法圖解

為了保證螺旋槽的加工質(zhì)量和精度，在加工工藝上分為螺旋槽整體形狀的粗加工、螺旋槽側(cè)面的精加工、螺旋槽底部精加工和槽底部清根等幾個(gè)工序。

2.2 裝夾方法

在螺桿的加工過程中，為保證工藝系統(tǒng)具有足夠的剛度，在工藝上采用一端用卡爪夾持、另一端用頂尖支撐的方法進(jìn)行裝夾。

2.3 刀具選擇

根據(jù)不同的加工工序，選擇不同的刀具。粗加工螺旋槽整體形狀時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮刀具的硬度和耐磨性，通過選擇合理的刀具角度和切削用量來彌補(bǔ)刀具強(qiáng)度和韌性的不足，所示粗加工工序選用刀具材質(zhì)為硬質(zhì)合金YT15、直徑為φ8的四刃平底刀進(jìn)行立銑粗加工;精加工時(shí)選擇R3 球刀精加工螺牙兩側(cè)，φ6 平刀精加工牙槽底及清根。

2.4 切削用量的選擇

粗加工時(shí)，每齒進(jìn)給量fz=0.02 mm，切削速度vc=50 m/min，切削深度為ap=1 mm。則主軸轉(zhuǎn)速為:經(jīng)圓整后為n=2 000 r/min。

進(jìn)給速度F=fz×z×n=0.02×4×2 650=212 mm/min。

精加工時(shí)，可選擇n=3 500 r/min，F(xiàn)=300 mm/min。

2.5 工藝路線

(1)選擇φ8 平底刀進(jìn)行粗加工，螺牙兩側(cè)及底邊留余量0.2 mm。由于牙高H=10 mm，設(shè)置切削深度ap=1 mm，因此，徑向分10層進(jìn)行切削加工。

(2)選擇R3 球刀進(jìn)行側(cè)面精加工，φ6 平底刀精加工底面及清根，如圖3所示，圖中R107與R11均為宏程序中參數(shù)而非尺寸。

圖3 精加工示意圖

3 圖形繪制與加工程序編制

3.1 繪制螺旋槽的二維圖

按照圖紙要求，利用MasterCAM軟件的幾何圖形設(shè)計(jì)工具，繪制等牙頂寬變螺距螺桿的引導(dǎo)螺旋線[7]，如圖4所示。為方便使用四軸數(shù)控銑床進(jìn)行銑削加工，該螺旋線需展開成平面曲線，如圖5所示。

圖4 螺桿螺旋線圖形

圖5 螺旋線的展開曲線

平面曲線C1為0°位置的螺旋線展開線，平面曲線C2為位置角度180°的螺旋線展開線，將平面曲線C1左右偏置1/2 牙頂寬后形成兩條平面曲線，聯(lián)接兩曲線形成封閉曲線C3。

3.2 粗加工數(shù)控程序的編制

螺桿螺旋槽的粗加工必須除去螺旋槽里的大部分加工余量，避免精加工時(shí)加工量過大，影響零件的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率。

數(shù)控加工程序采用MasterCAM軟件編制，在加工工藝參數(shù)的選項(xiàng)中設(shè)置有關(guān)參數(shù)，其中加工中刀具參數(shù)設(shè)置如圖6所示。

圖6 刀具參數(shù)設(shè)置

由于螺旋式漸斜垂直下刀的加工方式能有效減少空刀，提高效率，所以采用螺旋式漸斜進(jìn)刀方式。其參數(shù)設(shè)置如圖7所示，產(chǎn)生的刀具路徑如圖8所示。

圖7 漸降斜插參數(shù)設(shè)置

圖8 螺旋槽中線粗加工刀路

3.3 二次粗加工

對變螺距螺桿螺旋槽中線進(jìn)行粗加工后，螺旋槽內(nèi)的加工余量還是比較大而且不均勻，如果接著對螺旋槽進(jìn)行精加工，將會(huì)影響零件的精度和表面質(zhì)量，因此還需要對螺旋槽進(jìn)行二次粗加工。

串聯(lián)平面曲線C3，對螺旋槽進(jìn)行二次粗加工，分層加工的參數(shù)設(shè)置如圖9所示。

圖9 分層加工參數(shù)

3.4 精加工

串聯(lián)平面曲線C3進(jìn)行螺旋槽側(cè)壁的精加工，刀具選R3 球刀，在z軸進(jìn)行分層銑削，切削深度設(shè)為0.2 mm，φ6 平刀精加工牙槽底及清根，清根最大切削深度設(shè)為0.1 mm。

3.5 模擬實(shí)體驗(yàn)證

進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置后，模擬仿真加工后的效果如圖10所示。

圖10 模擬實(shí)體加工效果

4 結(jié)束語

使用MasterCAM 編制變螺距螺桿零件的加工程序，采用四軸數(shù)控銑床進(jìn)行加工，與使用手工編程的數(shù)控加工相比，大大縮短了加工程序的編寫和輸入時(shí)間，降低了手寫加工程序因不便檢測而造成加工損失的風(fēng)險(xiǎn)，因此，提高了編程的效率。應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，使刀具路徑的密度合理增大，這有利于保證零件的加工精度及表面質(zhì)量。通過應(yīng)用后處理生成的加工程序，在四軸數(shù)控銑床上加工該零件，順利完成了試切加工，達(dá)到了零件圖紙規(guī)定的精度和表面質(zhì)量要求。

【1】孫偉，范成巖.基于變螺距螺桿加工的普通機(jī)床改造[J].機(jī)床與液壓，2006(1):167－168.

【2】白宇，王平.變螺距螺桿的加工方法[J].現(xiàn)代制造工程，2008(1):24－26.

【3】王永康.變螺距螺桿加工方法[J].食品機(jī)械，1987(2):7－8.

【4】劉偉，余英良.大尺寸變螺距絲桿的數(shù)控加工[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(5):148－152.

【5】張延.等牙頂寬變螺距螺桿的數(shù)控四軸銑削加工[J].金屬加工，2011(2):66－69.

【6】揭曉，覃嶺.大導(dǎo)程、變螺距螺桿的研制[J].機(jī)床與液壓，2011，39(24):31－33.

【7】李云龍.MasterCAM9.1數(shù)控加工實(shí)例精解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.