等倾角螺旋槽的片铣刀铣削加工技术

rockston

1 引言在国内外关于螺旋槽或螺旋面加工的相关文献中，研究重点主要集中于回转刀具的制造和螺旋桨叶片加工等课题。由于回转刀具的母线较简单(多为圆柱型或圆锥型轮廓)，因此许多文献在讨论回转刀具外表面的等倾角螺旋槽加工问题时，主要研究了刀具制造中的刃口曲线。有的文献研究了螺旋桨叶片的加工问题，讨论了螺旋桨叶片的工作面方程及平头铣刀加工时刀位和残留高度的计算方法。还有的文献研究了自由曲面球头刀具的铣削问题。但目前很少有文献涉及任意母线回转体外表面等倾角螺旋线的加工方法和技术。 目前我国正在研制的新型液体火箭发动机是原航天火箭液体发动机的换代产品。为提高冷却性能，在这种新型发动机燃烧室的内壁外表面上周向分布着数百条等倾角螺旋槽燃料冷却通道，其筋和槽的中心线轨迹为等倾角螺旋线，即在曲线上任意一点处的切线与该点母线的切线方向成定角，该类型曲线也称为斜航线，如图1所示。由于等倾角螺旋隔离筋的宽度b和槽宽c均较窄(b约为1.2mm，c最窄处约1.5mm)，槽深e较深(约45mm)，因此无法采用车削、棒铣刀铣削、电化学等加工方法，只能采用片铣刀进行铣削加工，且要求在螺旋线法平面内隔离筋的宽度应处处相等，筋的高度方向沿轮廓的法线方向，不能倾斜。燃烧室轮廓母线多为复杂曲线，或由几段不同类型的曲线连接而成，其数学模型复杂多变。若采用三轴联动加工，会使槽底和筋形发生倾斜。在具有任意母线轮廓的燃烧室内壁外表面上加工等倾角螺旋槽是我国新一代液体火箭发动机研制中一个亟待解决的难题。
  

http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/200822116417.gif 8 F9 l  X" k4 i* ]1 s  E2 d图1 等倾角螺旋槽示意图

http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/200822116426.gif 图2 螺旋槽加工运动解析图

2 等倾角螺旋槽的五轴控制、四轴联动加工根据等倾角螺旋线的数学模型和运动解析，为保证切削点与刀具中心的连线始终沿工件的法线方向且始终位于工件中心轴线的水平面内，必须增加一个回转轴以实时跟踪工件法线的变化，即为了保证获得正确的槽底和筋形，用片铣刀加工任意母线回转体外表面的螺旋槽时至少需要四轴联动。图2为螺旋槽加工运动解析图。
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http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/200822116436.gif 8 V$ V( E6 V1 p$ i6 w) l% @5 k1.动力电机 2.回转轴 3，4.回转工作台 5.片铣刀 6.工件 7 q% d. R, ]0 N4 I4 `  ~9 T; K图3 螺旋槽加工部件

螺旋槽加工部件如图3所示。铣削动力电机1的转速通过交流变频控制，共有8档速度，用数控加工的M指令编程控制。非伺服控制的回转轴2用于调整螺旋角(参照该处的刻度指示)，并使用专用工具精确对刀。伺服电机驱动的精密数控回转工作台3在水平面内回转，用于保证切削点始终位于工件中心轴线的水平面内，并使切削点与该轴回转中心的连线沿切削点处的工件外轮廓法线方向，在机床坐标系中该回转轴定义为B轴。伺服电机驱动的精密数控回转工作台4用于完成加工中工件6的回转和分度，该回转轴在机床坐标系中定义为A轴。为保证筋宽相等，使用两片片铣刀5加工，二铣刀之间夹一个垫片，垫片厚度即为隔离筋宽度。另外三个直线轴X、Y、W轴在机床坐标系中的方向定义见图2和图3。加工中，除了对X、W轴进行轮廓轨迹插补外，还要对B轴摆动造成的坐标偏差进行补偿。Y轴用于调整切削点的高度(使该点与工件中心轴线在同一水平面内)，它与其它坐标轴无联动关系。完成任意母线回转体外表面等倾角螺旋槽的铣削加工需要进行五轴控制、四轴联动的数控切削。 为完成螺旋槽加工的数控编程，专门研制了针对上述加工运动方案的自动编程数据处理系统，通过分析螺旋槽加工的干涉误差，提出了选取片铣刀直径的简化算法。 3 典型工件的加工技术某型号液体火箭发动机燃烧室内壁收—扩段如图4 所示，其轮廓母线由一段直线和一组用离散数据点描述的曲线构成。在直线段和曲线段连接处，工件直径和曲率发生急剧变化，形成一个“喉”部区域，“喉”部区域的平稳过渡加工是该工件加工的主要难点之一。

http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/200822116840.gif   y8 }4 c( k. ]: t图4 铣削方式的确定

• 铣削方式的确定
  • 逆铣 逆铣可消除机械部件间隙的影响，减小切削过程中的振动。但由于燃烧室工件材料的粘性较强，隔离筋的宽度较窄，槽深相对于筋宽较深，在加工过程中发现，不论选用多大的可行进给速度和主轴转速，均会造成螺旋筋严重撕裂，使槽底和筋的表面粗糙度过大。
  • 直线—曲线顺铣 如图4所示，若按照图中方向①加工，AO段为直线，此处喷管为圆柱轮廓。从该段的起点A处起刀加工，对刀较方便，有利于加工前的准备工作，简化操作要求。但在实际切削中发现，这种铣削方式存在以下问题：
      

    http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161038.gif 图5 “喉部”卡刀现象

    http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161046.gif ( o& g. C% A" I% x, T' B( h6 ]$ _图6 直线—曲线顺铣时摆臂的受力

    • 极易在“喉”部“卡刀”或“闷车” 若使用新换刀具且进给速度较慢时(<30mm/min)，加工时可顺利通过“喉”部。但当刀具磨损或进给速度大于50mm/min时，会在“喉”部发生“卡刀”现象，使刀杆、刀具和工件受损(见图5)。这种现象的发生与B轴摆臂的结构和受力方向有关。如图6所示，此时在“喉”部，刀具受力fc和B轴的进给方向均有使切削深度增大的趋势。当刀具磨损变钝后，机械结构的振动和数控加工程序段变化引起的微小冲击都会成为刀具在此处“卡刀”的影响因素。
        

      http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161823.gif 图7 尾部筋形损坏

      http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161834.gif : \' g" H9 _1 }. f* k$ o. T图8 曲线—直线顺铣方式加工的长筋和夹筋

      http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161843.gif 图9 B轴的调整

      http://www.c-cnc.com/news/file/2008-2/2008221161853.gif   v& i4 Q- @; H6 L8 ^. s3 h图10 对刀和起刀点

    • 尾部退刀时损伤螺旋筋 当由直线段向曲线段方向顺铣时，B轴摆臂在“喉”部形成的较大弹性变形在整个曲线段加工中无法减缓。当加工完一条槽退刀时，B轴摆臂产生弹性变形回放，可使尾部筋形受损，如图7所示。
    • 无法实现“夹筋”的加工 由图7可见，若在工件直径较大部分仍然加工与直径较小部分相同数量的螺旋槽，则在两条筋之间会残留较多未切削部分。根据零件加工要求，必须将该残留部分也切削为与其它长筋等宽的短筋(称为“夹筋”)。经过实际加工测试发现，按直线—曲线顺铣加工方向加工“夹筋”时，起刀点及对刀方法均很难确定。
  • 曲线—直线顺铣 如图4所示，若按方向②采用由曲线段到直线段的顺铣方式，尽管对刀和起刀点的确定比较困难，但较好解决了“喉”部“卡刀”、尾部筋形损坏、无法加工“夹筋”等重大工艺问题。图8为采用曲线—直线顺铣方式切削加工的收—扩段螺旋槽和“夹筋”。
• 机床对刀和起刀点的确定
  • B轴的调整 加工螺旋槽时，为获得正确的筋形，必须保证切削点、刀具中心(实际为两片铣刀之间的垫片中心)和B轴回转中心在一条直线上。在进行任何轮廓的螺旋槽加工之前，需先调整B轴，使B轴部件处于加工圆柱段轮廓时的状态。用量表检测摆臂上的对刀块，使摆臂沿W轴方向(即DEG为一条直线)(见图9)。计算因竖直刀杆转动螺旋角b而造成的B轴补偿值&#8710;B，令B轴回转&#8710;B，使切削点、刀具中心和B轴回转中心在一条直线上(即DEF为一条直线)，然后将B轴清零，此时B轴正好处于加工圆柱段螺旋槽的位置。&#8710;B的计算公式为 &#8710;B=arctan(Lhsinb/Lb)式中：Lh——竖直刀杆长度 Lb——水平摆臂长度 b——螺旋倾角
  • 对刀方法和起刀点计算 对于图4所示工件，采用曲线—直线顺铣方式进行切削时，必须解决对刀和起刀点设置问题，即必须确定起刀点S的B轴、X轴和W轴坐标(见图10)。由于S点位于离散点区域，直接使用该点对刀相当困难。 B轴确定后，在自动编程系统生成的数控加工程序中，获取离散点轮廓末尾点S的B轴坐标值B0，S点的法线方向为NN'(见图10)。编写数控程序，令B轴回转Bb，即令B轴摆动到加工S点的状态。由于S点的一侧为四爪卡盘，没有对刀空间，因此不能在该点对刀。 令铣刀低速旋转，在顶尖一侧的工件端面对刀，记下此处数控系统显示的X轴机床坐标值，设为XT，由工件图纸得到该端面至S点的X方向距离值，记为XW，则S点的X坐标值XS为 XS=XT+a-dX+XW式中：a=rccosd+(hc+0.5hg)sinddX=rcsinB0 rc——片铣刀半径 hc——片铣刀厚度 hg——垫片厚度 令铣刀低速旋转，在顶尖一侧的圆柱段外轮廓对刀，记下此处系统所显示的W轴机床坐标值，设为WT，由工件图纸得到该圆柱轮廓至S点的W方向距离值，记为WW，则S点的W坐标值WS为 WS=WT+WW-dW式中：dW=rc(1-cosB0)

4 结语用片铣刀加工任意母线回转体外表面的等倾角螺旋槽，相当于用一个回转平面(片铣刀)去包络螺旋面，所以必须采用至少四轴联动的加工方案才能保证正确的槽底和筋形。引入回转坐标轴B可完成对工件法线的实时跟踪，但增加了加工难度。采用本文提出的螺旋槽加工技术，可解决典型零件螺旋槽加工的技术难题。该技术已成功应用于中国航天科技集团7103厂数十件重要工件的正式加工，取得了良好效果。

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