（机械设计及理论专业论文）开放式三棱形数控机床研究.pdf

中文摘要 摘要 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床已经成为实现装备制造业现 代化的关键设备。目前，在我国依旧有一些专用机床主要依赖进口。研究和开发 具有自主知识产权的数控机床对于打破国外技术封锁和垄断，提高制造业技术装 备水平和竞争力，节约外汇和降低成本等，都有着重大的战略意义。 本论文首先对传统三棱形加工设备的工作原理、加工工艺、刀具轨迹等进行 研究，在此基础上提出一种新型的加工方法，并对三棱形曲线的插补方式、切削 方式、切削力等进行研究，最终确定了三棱形的孔类零件的具体加工工艺。并在 此基础上以c a 6 1 4 0 普通车床为基础，进行数控化改造，完成了开放式三棱形数 控机床的研究与开发。 整个研究和改造工作包括：多边形仿形钻床的工作原理和加工工艺的研究、 整体改造方案研究、机械结构改造设计、伺服驱动系统设计、数控系统规划、p l c 及相关控制系统设计。机械结构改造设计实施首先需拆除原机床的主轴箱、进给 箱、刀架以及改造后无作用的齿轮和零件。主轴装置参照当前数控机床主轴结构 特点，并结合实际需求，采用全新设计；新的主轴具有结构简单、精度高、调速 性好等优点。为提高横向进给系统和纵向进给系统的传动精度，拆除了原有的滑 动丝杠副，重新安装上滚珠丝杠副；伺服电动机与滚珠丝杠通过挠性联接器直接 联接以减少传动间隙误差。伺服驱动系统采用半闭环控制方式，伺服电动机和驱 动器选用的是松下m i n a sa 4 系列。控制面板的设计参考了s i m e n s e 、烈u c 、 华中数控等多个厂家的结构布局、操作方式等，并结合该设备的独特加工特点， 运用人机工程学、美学等知识，使设计后控制面板更符合该设备要求，控制界面 更为人性化，操作更方便。活动式刀架设计，使机床集成了车削、铣削、钻削等 多种加工方式。 0 n c 数控装置采用的是当前最为先进的a r m + f p g a 运动控制结构，数控系 统采用的是前后台型软件结构。本系统具有开放性、实时性，多任务并行处理等 特点。 机床调试按照其进行的先后顺序包括调试前准备、p l c 调试、伺服系统调试、 数控系统调试、机床试运行及切削加工试件。 关键词：三棱形，多边形仿形钻床，伺服驱动系统，开放式数控系统 a b s t r a c t w i t hm ew o r l dt e c h n o l o g yp r o g r e s sa n dm ed e v e l o p m e n t o fm a c h i n et o o l i n d u s 臼 c n cm a c h i n et o o lh a sb e c o m eak e ye q u i p m e n tt oa c h i e v et h e m o d e m l z a t l o no 士 e q u i p m e n tm a i l u f a c t u 血gi 1 1 d u s 咄a tp r e s e n t ，w es t i l lm a i n l yr e l yo ni m p o n o fs p e c l a l m a c h i n e si no u rc o u m r y r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gc n cm a c h i n et 0 0 1 s w i t l l i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e 啊r i 曲t si s o fg r e a ts 仃a t e g i cs i 印1 士i c a n c e ，a sl t l st o b r e a kt h eb l o c k a d ea n dm o n o p o l yo ff o r e i 印t e c l l l l 0 1 0 9 y a n d l tl st o l n l p r o v e m a n u f - a c t u r 证gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n tl e v e l ，a n d i ti st or e d u c ec o s ta n ds a v e f o r e i g ne x c h a i l g e f i r s t l yan e wp r o c e s s i n gm e t h o di s a d v a n c e do nt h eb a s i so fr e s e 踟c h i n gm e w o r k i n gp 由c i p l e ，p r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 ya n d t 0 0 1p a t ho fp o l y g o np r o f i l e “1 l ，a l e n w er e s e a r c h e sm ei n t e 印0 1 a t i o n ，c 硼i n gm e t l l o d sa n dc u t t i n gf o r c eo f3 - 1 0 b ep o l y 9 0 n a l p r o ：f i l ec u n r e ，a t1 a s tw ed e t e n l l i n e s as p e c i f i cp r o c e s s i l l gt e o i l l l 0 1 0 9 yf o r3 1 0 b e p o l y g o n a lp r o f i l eh 0 1 ea n da x i s o nt h i sb a s ew e 饥m s f o 彻n cs y s t e m o nc a 6 14 0 t h ee n t i r ew o r ko fr e s e a r c h i n ga n d 仃a n s f o m i n gc n cm a c h i n et 0 0 l m c l u d e s r e s e a r c h i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，d e s i g n i n gt h eo v e r a l l 仃a n s f o 加1 a t l o np r o g r a m t r a n s f o m l i n gt l l em e c h a n i c a lp a r t s ，d e s i g n i n g s e n ，os y s t e m ，p l a r m i n gc n cs y s t e m ， d e s i g n i n gp l ca n dr e l a t e dc o m o ls y s t e m w h e n 觚n s f o r n l i n gm em e c h a n i c a lp a n s 让i eo r 磷n a lm a c h i n es p i n d l eb o x ，f e e d i n gb o x e s ，t 0 0 1h 0 1 d e ra n ds o m eg e a ra n ds p a r e p a n sa r ed 锄o l i s h e d s p i n d l ed e v i c ei sd e s i 印e dw i t ha c t u a ld e m a n d ，r e f e r r i n gt ot l l e c 眦e ms p i l l d l es t m c t u r eo fc n c m a c h i n et 0 0 1 ；t h en e ws p i n d l eh a s as i m p l es 眦t u r e ， h i 曲a c c u r a c ya n dg o o ds p e e dr e g u l a t i o n i n 0 r d e rt 0e n h a n c et h et r 叽s m l s s l o n a c c u r a c vo fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lf e e ds y s t e m ，b a l ls c r e wi si n s t a l l e da i l dm e0 r i g i n a l l e a ds c r e wi sr e m o v e d ；s e om o t o ra n db a ns c r e w1 i 1 1 l 【d i r e c t l y 也r o u g hn e x i b l e c o u p l i n g s ，a n di tc 雠r e d u c e 廿1 e 仃a n s m i s s i o ng 印e n o r s e r v 0d r i v es y s t e mu s e sa s e m i c l o s e d 1 0 0 pc o n 仃o l ，s e om o t o ra n dd r i v e rs e l e c tp a n a s o n i cm i n a s a 4s e r i e s c o n 仃0 1p a n e ld e s i 印w i t he 唱o n o m i c sa n da e s t h e t i c s ，c o m b i n i n gw l t hl t s o w nu 1 1 1 q u e p r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e f i e r r i n g t om es 仃u c t u r ea 1 1 d0 p e r a t l o no ts o m e m a n u f a c t u r e r ss u c h 嬲s i m e n s e ，f a n u c ，h u a 2 n o n gc n c ，s ot h a tt 1 1 e c o m r o l s u r f a c eb o a r di sm o r ei i l1 i n ew i t ht h er e q v i r e m e n t s0 f t h ed e v i c e ，m ec o n t r 0 1 i n t e r f a c e i sm o r eu s e r 衔e n d l y ，a r l do p e r a t i o ni sm o r ec o n v e n i e n t m o v a b l et o o lh o l d e rd e s i g n i 】呲e 酽a _ t e st 哪i n g ，m i l l i n g ，d r i l l i n ga n dm i l l i n g 孤dm a n y o m e rp r o c e s s m gm e t l l o d s i 重庆大学硕士学位论文 o n cd e v i c eu s e sa 剐m + f p g aw h i c ha r et h em o s ta d v a n c e dm o t i o nc o n t r o l s 饥l c t u r et o d a y n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma d o p t sf o r e 伊o u i l d 肌db a c k g r o u n ds o f t 、) i ，a r e s t m c t u r e 1 1 1 es y s t e mh a s 0 p e n ，r e a l t i m e ，m u l t i - t a 崩n ga n dp 锄1 l e lp r o c e s s i n g f ea 1 u r e s d e b u g g i n gi n c l u d e sp r e p a “l t i v e ，p l cd e b u g g i n g ，s e r v os y s t e md e b u g g i n g ，c n c s y s t e md e b u g g i n g ，c o m m i s s i o n i n ga n dc u 仕i n gt e s ts p e c i m c n k e y w o r d s ：3 l o b ep 0 1 y g o n a lp r o f i l e ，p o l y g o np r o f i l ed r i l l ，s e r v od r i v es y s t e m ， 0 n c s y s t e m 烈 本人声明所 学位论文独创性声明 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：严 导师签名： 签字日期：叫参杪 签字日期：蒯多岁 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名：2 坠盔 导师签名： 蚴年多月j 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 1 绪论 1绪论 1 1 国内机床数控化改造现状 由于投资少、见效快，能充分利用最新技术及时提高设备的自动化水平和效 率，从而提高其产品质量和竞争力，故机床的数控化改造在我国具有广阔的市场 空间，我国的机床改造业也从传统行业进入到以数控技术为主的新行业。机床与 生产线的数控化改造主要内容有以下几点：1 ) 恢复原功能对机床、生产线存在 的故障问题进行诊断并恢复到正常的状态；2 ) n c 化对普通机床进行数控化改 造，使之成为数控机床；3 ) 翻新为提高加工精度、加工效率和自动化程度，对 机械、龟气、机械部分进行改造，恢复到正常状态；4 ) 技术更新或技术创新为 提高机床性能采用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的更新【1 3 】。 国外加工三棱形的轴、孔零件一般采用的都是专用设备，最为典型的就是瑞 士生产的多边形仿形钻床，多边形仿形钻床是采用的机械式仿形加工原理，设备 使用前期具有加工效率和加工精度高等优点，由于设备长期使用，磨损严重，现 在已经不能满足加工要求。但是该设备生产厂家现在已经倒闭。至今国外生产三 棱形的加工设备主要有德国的k 边形仿形磨床、凡m 刀口多边形磨床等，这些设 备都主要用于三棱形的精加工，而对于三棱形的前期粗加工工艺，国外很少有厂 家生产相关设备，国内则为空白。 据调查，国内现有加工三棱形零件的专用设备主要是以前从国外引进生产线 时引进的，目前国内还没有生产加工三棱形零件设备的厂家。2 0 0 7 年重庆巨禾电子 信息技术有限公司改造的e c - 2 d 6 高精度三棱形的孔、轴数控磨床能加工三棱形 零件，在国内是首例。 1 2 课题来源及意义 三棱形的孔、轴联接方式跟常用的键与键槽联接方式相比，具有联接强度高、 在载荷作用下自动定心并保持轴与转动零件的动平衡、传递扭矩大：没有应力集 中、长期工作磨损少，传动时的振动和噪声低等优点，非常适用于转动速度高、 传递扭矩大并且要求低噪声的传动部件的联接。 三棱形的轴、孔联接是某种武器装备上传递力矩的关键零件。如果加工不合 格，将直接影响该武器的作战性能。重庆某军工厂在十多年前引进该武器生产线 时，附带引进了加工三棱形零件的专用生产设备。主要包括三棱形粗加工多边形 仿形钻床和精加工三棱形磨床。多边形仿形钻床是依据机械式仿形加工原理镗出 三棱形毛坯零件。设备使用前期具有加工效率和加工精度高等优点。但是由于多 重庆大学硕士学位论文 年加工机械磨损，仿形样板尺寸发生了较大变化，现在出现了加效率低，加工精度 达不到标准等严重问题。另外，机械式仿形加工原理不具开放性，这使得加工不 同尺寸的三棱形零件时，首先得更换与加工零件相对应的仿形样板。然后再调整 一些机械尺寸以满足加工要求。然而更换仿形样板的过程是极不方便的，这对工 人的劳动强度和整体加工效率均造成了很大的影响。 由于目前国内没有相关厂家生产该类型的设备，所以大多数加工三棱形零件 的机床都是从国外进口。本课题的研究意义是以普通车床床身为基础，设计出一 套转接机构，传动机构等，使机床集成车床，镗床，钻床的三种功能；高效率、 高精度的加工出三棱形的孔类零件。开放式数控系统使改造后的机床跟国外多边 形钻床相比，还具有开放性特点。从而提高自身竞争力，打破国外对三棱形专用 机床的垄断。 2 2 三棱形参数及加工方法研究 2 三棱形参数及加工方法研究 2 1 三棱形参数特性 2 1 1 三棱形曲线的建立 三棱形曲线是一种延长外摆线，依据三棱形曲线极坐标方程式( 2 1 ) 用m a p l e 建立d 。= 2 5 聊m 三棱形数学模型。 三棱形曲线的极坐标方程： = 压= 磊再= 而 一十叫茬恭 e 口 ( 2 1 ) 0 r n = 2 5 m m = 08 m m 图2 1 三棱形曲线参数关系 f i g 2 1n l ep 猢l e t e r sr e l a t i o no f p o l y g o n a lw 汕3 一1 0 b ep o l y g o n a lp r o f i l ec u r v e 相关参数如下：d l 一三棱形曲线外接圆直径 d 一三棱形曲线内切圆直径 d 卅一三棱形曲线基本直径 e 一三棱形曲线截面偏心距 参数关系如下：b = d m + 2 e d 2 = d 。一2 e 见：里尝 2 1 2 三棱形零件的截面尺寸 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 重庆大学硕士学位论文 三棱形轴、孔截面尺寸见表2 1 ( 单位：m m ) 。 表2 1 三棱形轴、孔截面尺寸 t a b l e2 1s i z eo f 3 l o b ep o l y g o n a lp r o f i l eh o l ea n da ) ( i s 基本尺寸 孽要孑l 二竺截面孔：轴内 截面偏心矩 外接圆直径 切圆直径 曲率半径置曲率半径尺， 或( 吒) e 1 4 1 4 8 81 3 1 2o 4 49 8 44 1 6 1 6 1 8 1 8 5 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 7 0 0 1 9 1 2 1 9 6 6 2 1 2 6 2 3 4 0 2 6 6 0 2 9 8 0 3 2 o o 3 4 2 4 3 7 5 0 4 2 8 0 4 8 2 0 5 3 6 0 5 9 0 0 6 4 5 0 6 9 9 0 7 5 6 0 8 1 3 0 8 6 7 0 9 2 1 0 9 8 0 0 1 0 3 5 0 1 5 0 0 1 6 8 8 1 7 3 4 1 8 7 4 2 0 6 0 2 3 4 0 2 6 2 0 2 8 0 0 2 9 7 6 3 2 5 0 3 7 2 0 4 1 8 0 4 6 4 0 5 1 o o 5 5 5 0 6 0 1 0 6 4 4 0 6 8 7 0 7 3 3 0 7 7 9 0 8 2 o o 8 6 5 0 0 5 0 0 5 6 0 ，5 8 0 6 3 0 7 0 o 8 0 0 9 0 1 0 0 1 1 2 1 2 5 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 5 2 4 5 2 8 0 3 1 5 3 3 5 3 5 5 4 o o 4 。2 5 1 1 2 3 1 2 6 2 1 3 0 2 1 4 0 7 1 5 5 2 1 7 6 7 1 9 8 2 2 1 4 6 2 3 2 4 2 5 5 8 2 9 0 5 3 2 8 4 3 6 6 4 4 0 4 3 4 4 5 4 4 8 3 4 5 3 1 0 5 7 8 6 6 1 6 5 6 5 4 5 7 0 8 6 7 4 9 7 4 7 7 5 4 8 5 4 8 5 9 3 6 4 8 7 3 3 8 1 8 8 5 4 8 7 6 9 4 2 1 0 9 5 1 2 1 6 1 3 3 6 1 4 5 7 1 5 4 6 1 6 6 6 1 6 9 0 1 7 1 4 1 8 3 5 1 9 5 5 1 9 1 4 2 0 0 3 1 0 01 0 9 0 0 9 1 o o4 5 07 9 0 92 0 9 1 2 2 三棱形零件的传统加工方法 2 2 1 传统加工设备结构 4 2 三撞形参数及加工方法研究 三棱形的孔类零件粗加工传统设备主要是多边形仿形钻床，多边形仿形钻床 是利用机械式仿形原理加工出三棱形的孔类零件，因此加工不同尺寸三棱形的孔 类零件必须更换与该零件尺寸相对应的仿形样板，严重的限制了机床加工的灵活 性。多边彤仿形钻床的结构如图22 所示。 图22 多边形仿形钻床外部结构图 尉9 22t h es 们c t l i r ed f 删m g o f p o 垮g o n p r 0 6 l e d n l 驱动马选、2 一变速装置、3 仿形样板、4 一仿形轮、5 - 旋转柱件、6 一月具、7 导向立柱、8 一液压杆 i d d w m o t o r2 - s p e e d h 舢i o n3 删1 i t l g t 舶p l m e4 _ 呻6 l i n gw h e e is - r o 嘶n g c y l i n d 盯 6 一c l l c 【 n g t o o l 7 - g i l i d m g “m n8 _ h y d r “i c p i s t o n 机床工作原理 仿形样板3 通过螺纹与立柱上架形成刚性联接，在工作过程中仿形样板不 转动； 驱动马达l 通过变速装置2 把动力和运动传递给旋转柱体5 ； 旋转柱体5 带动仿彤轮4 围绕仿形样板3 转动； 仿形轮3 通过一个转向机构带动刀具6 同时作旋转和往复直线运动，从而 形成三棱形平面曲线刀轨； 加工过程中，液压杆8 驱动整个装置沿导向立柱7 上下运动，从而形成三 维的三棱形螺旋曲线刀轨，最终加工出三棱形的孔类零件。 重庆大学硕士学位论文 22 2 传统设备加工方法 要深入研究多边形仿形钻床加工三棱形的孔类零件的加工方法，首先必须 弄清其内部工作结构。多边形仿形钻床的内部结构如图23 所示。 图23 多边形仿形钻床内部结构图 f l z 23 m 1 皿盯g 晌c d r a w i n eo f p o i y g o nd r j l i 】锥形挂、2 一壤珠轴承、3 立柱、4 一仿形样板，s 仿* 轮、6 一滑块、? 一0 轴、 8 一月具，9 一导向柱、l o 一曲柄、1 l 一曲柄定位螺栓 。掘p e 陀dc o l 蚰m 2 七a nb c a r i “9 3 吒0 1 u 咖4 p r 。6 1 沁t p 1 咖5 - 鲫坩l 啦w h 酬6 一s l l d e p l m e 7 - m a n 出口l8 c 脯i n e t o o l9 一州洳zc o l u m n l 0 一q a k t l - 证c kb o n 内部结构工作原理 ”驱动马达通过变速装置驱动锥形柱1 作旋转运动，因为立柱3 与锥形柱l 是钢性联接，所以立柱3 随锥形柱l 一起作旋转运动； 2 1 立柱3 旋转运动，带动仿形轮5 紧靠仿形样板4 绕锥形柱l 轴线作旋转运 动，仿形样板4 在工作过程中不作任何运动； 3 1 仿形轮5 绕锥形柱1 轴线作旋转运动的同时在仿形样板4 压力的作用下， 仿形轮5 自身也作上下运动，从而驱动曲柄1 0 绕曲柄定位螺体l l 作旋转运动： 4 1 曲柄l 作旋转运动通过中间滚针轴承推动滑块6 作往复运动，刀具8 与滑 块6 之间是钢性联接，所以刀具跟随滑块一起作往复运动，从而形成刀具轨迹。 多边形仿形钻床在加工三棱形的孔类零件前必须根据所加工零件的材料、 加工形状、加工深度等参数预先设置好机床的驱动速度、进给速率、加工行程等。 ii _ m_ - u 2 三棱形参数及加工方法研究 在加工三棱形的孔类零件时，还得选择合适的毛坯零件，毛坯零件余量一般是比 工件零件多o5 m m ，毛坯零件如图24 所示。 圈24 三棱形孔的毛坯零件 f i g24t h c r o u 曲p a r 【o f p o 】y g o 1w j t h3 - l o b 。p o l y g o 衄lp r 0 6 i eh o l e 多边形仿形钻床的加工原理是机械式仿形加工，通过一系列的转换机构把 仿形样板的曲线转换成刀具运动。即刀具绕立柱轴线作旋转运动和刀具在自身轨 道上作往复直线运动，通过两种运动插补形成平面三棱形曲线刀轨：在加工过程 过，液压马达工作，驱动整个装置上下运动；通过三种运动晟终合成三棱形的螺 旋刀轨，如图25 所示。 图25 三棱形螺旋刀具轨迹 2 5 1 1 l es p h l t o o l p 札h o f3 l o b ep o l y g o m lp r o e 】e 刀具沿着三棱形的螺旋刀具轨迹运动，镗削出三棱形的形状。在整个加工 过程中，三瓜卡盘夹紧毛坯零件不作任何运动。三棱形的加工示意图如图26 所 示。 重庆大学硕士学位论文 尺寸偏 加工出 图27 三棱形的孔类零件 f 培27 m 3 l o b ep o l y g “p m 蝴e h o k 如果 最终 对多边形仿形钻床的内部结构和工作原理进行分析可以知道，如果以多边形 仿形钻床为本体进行数控化改造很难实现三轴的伺服控制，而且具体实施过程的 难度较大。所以有关三棱形的孔类零件加工的新方法研究是至关重要的。 2 3 三棱形零件的新型加工方法 23 1 三棱形曲线圆弧插补策略研究 当然三棱形曲线圆弧插补可以通过小段直线逼近法实现，但是这种插补方法 本身就引八了“线性插补”逼近误差。对于加工非规则圆的孔类零件时，这种插 补方法一般不作推荐。所以，首先淘汰普通铣床作为本体的改造设计方案。 如果对三棱形曲线的极坐标方程进行参数替代，把极轴，( 口) 看成y 轴，极角 日( 口) 看成x 轴，可以得到三棱形曲线的展开图( 图28 ) 。对其展开图进行研究可知： 三棱形的展开曲线的横向坐标轴x 应该是机床的旋转轴c 轴的运动角度；纵向坐 k 已婚 6 勃 即 满丑一i 三 m ”女新 邮 握丑= 、 丕一 聂o 2j 棱形参数及加工方法研究 标轴y 应该是机床的横向进给轴x 的运动距离。因此可由机床的旋转轴c 与横 向进给轴x 进行插补得到三棱形的平面曲线，采用这种插补方式就消除了“线性 插补”逼近误差。c 轴和x 轴插补的同时，机床z 轴以适当的速度纵向运动，理 论上就可以加工出三棱形的孔类零件，并用数学软件m a p l e 对这一设想进行数学 建模验证，于是可以得到三棱形零件的理论加工形状( 图29 ) 。 i ；| | 。12 乞4 56 图2 8 三棱形曲线展开图 f i g28 u n r o l lc u e o f 3 l o b e p o 坤g o r i a ip r o m e 匮 图29 三棱形零件的理论加工形状 h 9 2 9t h e m e o 珂m a c h l n e 妇m o f p o l y g o n a l w 孙3 - i o b ep r o n l e 23 2 三棱形零件切削方式研究 传统孔类零件的加工方式有镗削、钻削、铣削、拉削、磨削等加工方法。镗 削运动主要是指工件旋转运动和刀具直线运动，如果工件的旋转运动和刀具直线 运动进行插补，可以加工出异形的孔类零件：钻削是一种常用的切削加工方法， 但是钻削只能在实体材料上钻孔或扩大已有的孔，不能加工出截面为非圆孔的零 件；铣削的主运动是铣刀的旋转运动，进给是工件的直线运动，铣削加工范围很 广，可以加工平面、台阶面、沟槽、成形表面等；拉削是拉刀作直线运动，一次 行程从工件上切下全部加工余量，拉削加工效率非常高，可加工非圆形孔零件， 但是加工不同尺寸的零件必须配一把拉刀。 从上述的切削方式中可以知道，要加工出三棱形的孔类零件可以采用镗削、 铣削、拉削、混合切削。综合考虑三棱形工件加工过程中，刀具要作径向和轴向 运动，所以只能选择镗削和铣削方式。 镗削加工方法分析 重庆大学硕士学位论文 图2 1 0 三棱形镗削加工方式 f i g 2 1ot h et u m i n gm a c l 曲eo f3 一l o b ep o l y g o n a lp r o f i l e 由2 1 0 图可知，c 轴作旋转运动，x 轴作往复进给运动，z 轴作纵向运动， 通过镗削方式加工出三棱形的孔类零件，要保证加工零件的形状精度，c 轴和x 轴的运动速度必须互相匹配，即c 轴转速不能太高。根据双轴空载联动实验可得 c 轴的最高转速刀= 3 s r ，那么镗削方式切削速度： ，丌n 2 9 9 0 5 1 三6 0 心：尝：二_ 丙l ：o 8 1 5 6 8 ( 朋m i l l ) ( 2 5 ) 1 ， = 一= 二= _ 一= i j l ) n m ，m l n i z l 。 1 0 0 01 0 0 0 、 式中：d 毛坯工件直径( 聊聊) ； 疗一工件转速( 广m i n ) 切削置度c - - n ) 图2 1 1 切削速度v c 对切削力疋的影响 f i g 2 1 1t 1 1 ei m p a c to f c 吡i n gs p e e d o nc 碱吨f o r c ee 以镗削4 5 钢为例，由切削速度k 与切削力尼的关系曲线图可知，加工过程 中的最低切削速度不得低于5 聊m i n ，所以采用镗削方式只能加工大尺寸的孔类 零件，对小尺寸的孔类零件由于切削速度太低不能满足加工要求。由图2 1 1 分析 表明，只要刀具材料和机床性能允许，采用高速切削，既能提高生产效率，又使 切削力减小。 1 0 2 三棱形参数及加工方法研究 铣削加工方法分析 图2 1 2 三棱形铣削加工方式 f i g 2 1 2t h em i l l i n g0 f3 l o b ep o l y 9 0 n a lp r o f i l e 为了提高切削速度，把镗削方式转换成铣削方式，切削速度可以由铣刀的转 速来保证，并且可以通过调节铣刀的转速来获得最佳切削速度。所以采用铣削方 式可以加工全尺寸三棱形的孔类零件。在加工过程中，铣刀不但绕自身轴线作旋 转运动，而且同时还与进给轴x 和z 一起作横向和纵向进给运动。 综合分析镗削和铣削的两种加工方法可知：镗削方式加工小尺寸三棱形的孔 类零件时由于切削速度太低而不满足加工要求，所以镗削方式只能加工部分尺寸 三棱形的孔类零件；铣削方式加工时，可以通过调整铣刀的转速选择最佳的切削 速度，所以采用铣削方式可以加工全尺寸三棱形的孔类零件。 2 4 三棱形零件的加工工艺实施 2 4 1 三棱形轮廓铣削关键技术研究 插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中 间点的坐标值。在铣削过程中以c 轴转角增量为o 0 1 0 来计算三棱形曲线一周o 3 6 0 度一系列离散点，再用这些点做圆弧插补。 由于三棱形轮廓为非标准圆，而且铣刀直径大小不能忽略，这就导致实际铣削 点不在铣刀圆心和工件几何中心的连线上；换言之，根据数学模型里的转角计算 出的轮廓点并不是实际铣削点，如图2 1 3 所示。 重庆大学硕士学位论文 仁 彳 f 翰 ” t r 7 7 # ，。 ， 图2 1 3 三棱形的孔类零件实际铣削点 f i g 2 1 3t h ep r a c t i c a lm i l l i n gp o i l l to f 3 l o b ep o l y g o n a lp r 0 丘l eh o l e 图中a 点为实际铣削点，但是对于c 轴来说，转动的角度是叩而不是咖。在 6 0 0 整数倍的情况下，即铣刀铣削到三棱形的最低和最高点时卵和咖重合，在一个 0 到6 0 度的范围内7 7 和妒的差值的所有可能性出现一遍，这些差值不成线性分布。 我们现在需要研究的是当工件转动角后，即c 轴转动角后，x 轴的实际 运动情况。如图2 1 4 所示，里面虚线曲线为铣刀中心轨迹，外面粗实线为实际加 工的铣削轨迹。 。 一、 心 。一 f i 纱 图2 1 4 铣刀中心运动轨迹 f i g 2 1 4t h ec e n 昀1m o v i n g 仕a c ko fm i l l i i l gc 硼e r 由于实际铣削点不在铣刀圆心和工件几何中心的连线上，因此工件转角与实 际铣削点转角存在非线性的转角误差。在计算铣刀运动轨迹时，必须多进行一 次数学模型的变换，对转角误差进行修正。即c 轴转7 7 时，x 轴的进给量为庐的 对应值。 2 4 2 加工过程中切削力分析 金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力， 称为切削力。切削力来源于三个方面：克服被加工材料弹性变形的抗力；克服被 加工材料塑性变形的抗力；克服切屑前刀面的摩擦力和刀具后刀过渡表面与已加 工表面之间的摩擦力，如图2 1 5 所示f 2 4 】。 1 2 2 三棱形参数及加工方法研究 图2 1 5 切削力来源 f i g 2 1 5n l eo r i g i i lo f c 眦堍f o r c e 铣刀为多齿刀具，铣削时，由于切削变形和摩擦，每个工作刀齿均受到一定 的切削力。由于工作刀齿的切削位置和切削面积的变化，使得每个刀齿所受的铣 削力的大小和方向也在不断变化。为了便于分析、通常假定各个刀齿上的总切削 力f 作用于某个刀齿上，并根据需要可将铣刀上总切削力分解成三个互相垂直的 分力。如图2 1 6 所示【2 4 1 。 图2 1 6 铣削力 f 唔2 1 6m i l l m gf - 0 r c e 1 ) 主切削力只总切削力在铣刀运动方向上的分力，又称切向力，消耗功率 最多，主要受切削速度杉的影响。 2 ) 进给力只是沿铣刀半径方向的分力，又称径向力，它使刀杆弯曲、影 响铣削平稳性，主要受背吃刀量( 又称径向进给量) 口。的影响。是造成加工过程 中振动的主要因素。 3 ) 背向力只是沿铣刀轴线方向的分力，又称轴向力，其大小对螺旋圆 柱铣刀来说，与螺旋角口有关。 圆周铣削时，只和e 的大小还与圆柱形铣刀的螺旋角有关，铣削时，各 铣削分力和主切削力只有一定的比例关系，可根据实验公式进行计算得到。 圆周铣削方式 圆周铣削有二种铣削方式，逆铣与顺铣。铣刀的旋转方向和工件的进给方向 重庆大学硕士学位论文 相反时，称为逆铣( 图2 1 7 ( a ) 所示) ；相同时为顺铣( 图2 1 7 ( b ) 所示) 【3 4 1 。 一鲍 图2 1 7 逆铣与顺铣 a ) 逆铣 b ) 顺铣 f i g 2 17c o i l v e n t i o n a lm i l l i n g 锄dc l i n l bm i l l h l g 铣削方式的铣削特点如表2 2 所示。 表2 2 逆铣与顺铣 t l b l e2 2c 0 n v e n t i o n a lm i l l i i 培a n dc l i n l bm i l l i i l g 逆铣时，切削厚度由零逐渐增大，由于铣刀刀齿具有刃口钝圆半径，使刀 齿要产生一段“滑行”才能切入工件，结果使已经加工表面产生硬化，表面粗糙度 值变大，铣刀磨损增大。 顺铣时，切削厚度由厚变薄，无“滑行”现象，加工表面粗糙度值小，铣刀磨 损也小。同时，垂直力乃向下作用，将工件压向工件台，避免铣削时的上下振动。 但e 力与进给方向一致，由于铣床工作台进给机构丝杠螺母副存在间隙，在铣削 力变动的过程中，由于e 的作用，可能使工作台带动丝杠发生窜动，而影响铣刀 寿命，甚到打刀。因此，当要采用顺铣方式时，机床进给机构必须具有消除间隙 机构。 综合评比，优先选用顺铣方式。由于顺铣方式要求进给机构必须具有消除间 隙机构，所以，在设计滚珠丝杠螺母副时应该考虑其消除间隙误差。 加工过程中的切削力分析 1 4 2 三棱形参数及加工方法研究 毛坯零件待j i l 工部分 图2 1 8 铣削加工过程示意图 f i g 2 18s c h 锄a t i cm a g r 锄o fm i l l i n gp r o c e s s i n g 如图2 1 8 所示加工过程中，圆周铣削方式为顺铣，铣刀在加工过程中同时作 两种形式运动：一种是绕自身轴线作旋转运动，另一种是沿径向方向作直线运动。 工件运动方向与铣刀旋转方向相同。图中黄色部分为毛坯零件加工余量。从图中 可以看出，铣刀在加工过程中的切削量是由薄变厚，到达顶点时，切削量最大， 然后又由厚变薄，所以主切削力只是一个大小周期性变化、方向不变的力；径向 力e 是一个大小和方向均周期性变化的力；因为是铣削方式为顺铣，所以轴向 力e 是垂直向下。为确定铣削过程中最大切削力的情况，以切削量最大的瞬时状 态为研究对象，其铣刀受力情况如图2 1 9 所示。 图2 1 9 铣刀受力情况 f i g 2 19t h ef o r c e so fm i l l i n gc u 他r 2 4 3 加工刀具参数确定 铣刀的种类繁多，按刀齿齿背形式，可分为尖齿铣刀与铲齿铣刀两大类。尖 齿铣刀的齿槽及齿背由角度铣刀或成形铣刀铣削，使用过程中磨合刀具背面。目 前大多数尖齿铣刀已经标准化。按照铣刀用途分为：加工平面用铣刀；加工沟槽 重庆大学硕士学位论文 用的铣刀；加工成型面铣刀p 。 加工平面用铣刀分为圆柱平面铣刀和面铣刀两种。圆柱平面铣刀主要用在卧 式铣床上加工较窄平面：面铣刀主要适用于高速铣削平面。 加工沟槽用的铣刀分为三面刃铣刀、锯片铣刀、立铣刀、键槽铣刀、角度铣 刀五种。三面刃铣刀除圆周表面具有主切削刃外，两侧面也具有副切削刃，从而 改善了切削条件，提高了切削效率和减少表面粗糙度，主要用于加工凹槽和阶台 面；锯片铣刀是薄片槽铣刀，用于切削窄槽或切断；立铣刀主要用于加工平面凹 槽、阶台面，也可以利用靠模加工成形表面；键槽铣刀主要用于加工圆头封闭键 槽，它有两个刀齿，圆柱面和端面上都有切削刃，端面切削刃延至中心，工作时 能沿轴线作进给运动。 加工成型面铣刀分为成型铣刀、模具铣刀两太类。成型铣刀是在铣床上加工 成型面的专用刀具，其刃形是根据工件轮廓形状设计；模具铣刀用于加工模具型 腔或凸模成形面。 铣刀在加工三棱形的孔类零件时，刀具同时作作两种方向的运动，即横向和 轴向进给运动。因此，刀具会同时受至0 径向力和轴向力。通过综合评比，选择键 槽铣刀，由于三棱形的孔类零件晟小曲率半径是4 1 6 删2 0 9 6 栅z ，所以要保证 刀具能够加工出合格的三棱形形状，刀具直径应选择为8 坍m 4 0 m 珊，按照国家 标准规定，铣刀直径d = 2 聊”2 2 m 卅，应加工成直柄。所以最终确定铣刀为 d = 6 肺m 2 0 删”直柄键槽铣刀。刀具具体参数如表2 _ 3 所示( g b ，r 儿1 21 ) p “。 表23 直柄键槽铣刀参数 1 曲l e23s a l 曲ts h a i l k e n d m l l 】s 如rk e y s 哪研s s ) 标准：g b 仃1 l 】21材料：h s s e ( 高速钢)螺旋角：2 0 2 三棱形参数及加工方法研究 2 5 本章小结 本章首先介绍了三棱形曲线及相关参数，然后对传统加工设备的工作原理、 加工方法、刀具轨迹进行了研究，提出一种新型的加工工艺。 由于三棱形的特殊形状，使加工过程中的切削量、切削力等参数不恒定，因 此对加工过程中的切削方式、切削力研究是非常必要的。最终根据三棱形曲线的 最小曲率半径、圆弧插补原理等确定了不同尺寸零件的最小刀具直径。 1 7 3 设计任务与总体方案确定 3 设计任务与总体方案确定 3 1 设计任务 该公司根据自己的实际的情况，对系统提出了具体的要求： 以普通机床为基础，对其进行数控化改造。 改造后设备应满足操作简单、运行安全、稳定可靠。 改造后设备加工出的三棱形的孔类零件应符合标准要求。 机床定位精度：x 轴印历、c 轴5 0 0 1 0 、z 轴5 1 犁聊。 机床重复定位精度：x 轴s 雏聊、c 轴 o 0 0 8 0 、z 轴s 1 叩m 。 三棱形的孔类零件加工工艺技术指标 切削速度：1 2 1 锄m i i l 加工次数：1 3 次 加工零件极限偏差：士2 叽聊 单件平均加工：1 0 聊砌 3 2 总体方案设计 根据三棱形的孔类零件加工工艺分析结果，并结当前数控机床的发展趋势； 选择c a 6 1 4 0 普通车床为开放式三棱形数控机床的本体，并根据机床相关的性能 指标，初步提出系统的总体改造设计方案。 主轴c 机械部分改造：拆除原机床主轴电机、主轴箱、及改造后无作用 的齿轮和零件。由于在原机床主轴箱基础上进行伺服改造的机械部分变动太大， 所以主轴、传动