凸形螺杆转子铣削技术的研究

1、凸形螺杆转子铣削技术的研究2007年9月第35卷第9期机床与液压machinetool&hydraulicssep.2007v0i.35no.9凸形螺杆转子铣削技术的研究王可,金钰,孙兴伟(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳l10023)摘要:凸形螺杆通常是螺杆机械产品中的重要部件,要求其具有较高的精度.本文针对需求量较大的双头单螺杆泵转子,介绍了内旋风数控包络技术的基本原理,研究了内旋风铣削时刀具中心与工件相对运动包络出螺旋曲面的轨迹算法,分析了加工过程中主要参数的影响.内旋风数控包络方法将大大提高加工效率和工件的表面质量.关键词:凸形螺杆;旋风铣削;包络中图分类号:tg54文献标识

2、码:a文章编号:10013881(2007)90132studyontechnologyofmillingforconvexityscrewwangke.jinyu.sunxingwei(schoolofmechanicalengineering,shenyanguniversityoftechnology,shenyangl10023,china)abstract:convexityscrewisusuallyimportantpartswhichhashighlymachiningaccuracyformechanicalproduct.singlescrewpump,whoserotor

3、hasdoubleheads,haslargequantitysupplied.thebasicprincipleofinnerwhirlwindenvelopingmillingtechnologywasintroduced,anarithmeticaboutspatialpathbycenterofcuttingtoolsandworkpiecerelativelymovingtoenvelopehelicalsurfacewasstudied,andtheprimaryparametersinfluencingonmachiningprocesswereanalyzedbyexample

4、.innerwhirlwindcncenvelopingmethodwillgreatlyimprovethemachiningefficiencyandsuperficialqualityofconvexityscrew.keywords:convexityscrew;whirlwindmilling;enveloping0前言内旋风包络铣削是一种高效,经济,实用的螺杆加工方法,人们常利用旋风铣头中的成形刀具来加工三角及梯形螺纹.本文用这种技术对截面廓形为凸形的复杂螺杆(简称凸螺杆)螺旋曲面进行数控铣削加工时,不但刀刃回转面与工件表面的接触线较长,切削平稳,加工时间较短,而且加工出的螺旋表面

5、粗糙度值较低.在凸螺杆中,双头,三头单螺旋转子是截面呈光滑凸形规律的典型螺旋曲面,具有较大的社会需求量,目前主要采用外包络方法加工,即工件与刀刃的回转面以外切式接触方式包络加工出螺旋曲面.而内包络方法则是利用铣刀中心与工件的相对运动,通过刀具内圆环旋转轨迹内切包络出螺旋表面.本文将传统的旋风铣削技术与数控技术相结合,研究了内旋风数控包络铣削这项新技术,给出了有效的刀具轨迹算法,分析了主要影响参数,并验证了该方法的可行性.1数控旋风包络铣削基本原理(图1)内旋风数控包络铣削工艺方法采用三坐标专用数控铣床,内铣刀盘回转轴线与工件回转轴线之间有一定偏心量e,刀盘安装角为6,刀具在主电机带动下做旋转运

6、动,该运动为切削主运动.在加工过程中,工件绕c轴的旋转运动与刀具沿轴的径向运动和沿z轴的轴向运动在数控系统的控制下联动,进行连续插补,形成了凸螺杆空间旋风包络加工运动.该包络运动可分解为2个插补运动来理解.一个是c,z两轴插补形成铣刀沿工件螺旋线方向的运动,实现了前后2个刀位点上包络位yy-_j,工件=一0二内铣刀盘,-.一-_图1旋风包络铣削原理示意图置的螺旋位置关系;另一个是绕c轴旋转和沿轴径向方向进行插补运动,形成了与螺杆截面线形规律相适应的刀尖圆弧和工件截面线形间的相对包络运动,从而得到螺杆截面的包络廓形.2个插补运动连续进行,包络出整个工件的螺旋曲面.2数控旋风包络中控制轨迹的计算方

7、法2.1最小有向距离算法设有2个连续可微曲面f,在不发生干涉的条件下,当f:相对于f,沿终结方向运动时,在该运动方向上2曲面之间距离最小的对应2点就分别是2曲面上的啮合点.终结运动是指假设机床各数控轴按一定顺序分别运动,其中最终使螺旋曲面移动至指定点的某个控制轴的运动.所谓的距离是指终结运动方向的直线距离基金项目:国家自然科学基金项目(50475170);辽宁省科技攻关项目(05220008)?14?机床与液压第35卷(如图2所示)或转角距y+离.采用最小终结运动方j:日采用最小终结运动方lf,u向距离的前提是将实际切lu削运动离散后,任何一个.一指定的终结运动方向上,一刀具表面和工件表面上最

8、图2终结运动为平动的小距离点即为实际切削过最小有向距离原理程中的啮合点,这里将其定义为刀触点.不失一般性,在加工螺旋曲面时,设沿轴的运动方向为终结运动方向,那么将给定的螺旋曲面方程和刀具方程分别设为=(y,)和=(y,),则距离函数=g(y,z)=(y,z)一(y,z),得到一个关于y,z的函数,按照最小有向距离理论,求刀触点的问题就是求距离函数全局最小值问题.2.2刀具轨迹描述工件螺杆装夹在主轴卡盘和尾座之间,由电机驱动绕自身轴线c轴作旋转运动.铣刀沿轴,z轴作联动连续进给运动,绕自身轴线的旋转运动为主运动,切削刃部分在旋转过程中形成的回转表面为刀具加工表面.数控刀具轨迹是轴,c轴,z轴的插

9、补运动.设凸形螺杆的端面截形曲线为厂(又称为母线),该母线绕以螺杆轴线为轴心线的z轴作螺旋运动,其所形成螺旋面方程为:r=0(u)coso一(m)sinoy=0(m)sin8+yo(m)coso(1)l:.u)+p式中:为参变量;为角度变量,表示母线从起始位置绕z轴转过的角度;p为螺旋参数.刀尖圆弧回转表面形成了刀具加工面(如图3所示),是由半径为r的母线圆绕z轴旋转而成的,其上任一点的坐标可表示为:zl一图3内圆环面刀具模型x=(r:-枷rcosa)sciosfl式中:r为刀尖圆弧半径;r为导线圆半径;(2)o/,卢为内圆环面上一点的位置参数.由工件螺旋曲面方程和刀具内圆环面方程可知,方程连

10、续可微,当它们做连续啮合运动时,2曲面上的接触迹也是连续的.根据最小有向距离算法原理,首先选取某个不干涉的刀具初始位置,找到在该位置下刀具表面和工件表面沿方向的最小距离点,即刀触点.当将刀具沿轴由远处向工件靠近,在轴方向距离最近的对应点最先接触上,这一对对应点即为接触点.接着以这个接触点的坐标为初始值,先确定刀具沿z轴方向平动的距离z,相对应符合螺旋曲面成形的附加螺旋转角为a0.再将工件绕轴线旋转一个步距角,依据接触迹的连续性,采用跟踪算法,计算下一个接触点的位置,依次循环计算,就得到每个步距点对应的刀位点.工件廓形是由一个一个的截面加工出来的,这个截面在空间上是沿着设定螺旋线方向上升的截面形

11、式.根据空间啮合原理和螺旋曲面的特性可知每一个接触点都在理论螺旋面上,就得到整个截面上的刀位轨迹.3主要影响参数的实例分析刀具倾斜一定角度安装,且刀具中心和工件中心有一定的距离e.工件是由刀尖圆弧回转面进行包络运动形成的.刀具的安装角,刀具半径r,刀尖圆弧半径r以及工件廓形等变化对工件和刀具表面上的接触迹有一定影响,其中刀具的安装角度对工件表面上的接触迹有非常显着的影响,下面用一实例来分析.一双头螺杆转子导程为136mm,外径为45.6mm,根径为33.6mm.按前刀具轨迹计算方法编制出程序.在刀具的刀尖圆弧半径r=1.2mm,刀具安装角分别为=10.,=12.,=15.时.相对应的工件表面上

12、的接触迹形状如图4所示.从图中可以看出,工件表面上的接触迹上同一接触点偏离编程点位置截面的图4安装角变化时对应的工件表面接触迹程度,随着的增大,偏离距离也在增大,因此值对工件表面上接触迹偏离编程点位置截面的偏离程度影响十分显着.经过试验得出=10.时,工件表面上的接触迹偏离编程点的程度最小.此时的刀触点坐标如表1所示.(下转第27页)第9期余国鑫等:imageware逆向建模中特征边界线的构建方法?27?特征边界曲线.这是一个完全交互的曲线构造过程.曲线是曲面重构的关键因素,用于后续的曲面生成,曲面裁剪,在一定程度上说,曲线的质量直接影响最终模型的质量.所以,在创建曲线时,需注意下列几点:(1

13、)曲线的建构并不需要太多的点.一个基本原则是尽可能使用低阶数,少控制点的曲线参数建构曲线,有过多控制点的曲线将为后续的放样曲面和曲线的平滑处理中兼容性方面带来潜在的问题.(2)连接的曲线之间要保证良好的连续性.曲线间的连续性的质量直接影响着后续构建曲面间的连续性.(3)对于同一矩形参数域曲面构建用的特征边界线,尽量使用相同的曲线参数.利用相同参数的曲线构建曲面,得到的曲面质量较高.(4)尽可能在处理过程中,选用简单曲线,如:直线,圆弧,圆和b样条.3总结本文在对imageware曲面模型的构造特点分析的基础上,提出了imageware逆向特征的分类,探讨了3种在复杂点云中特征边界线的提取和构造

14、方法.其中,对点云中测量数据曲率存在突变的不同特征区域,应用尖角特征法都能对目标特征征边界进行自动的提取;而对于不存在明显曲率法矢突变的不同特征区域,根据截面特征曲线元的曲率分布,特征点提取法可以指导用户交互提取特征边界数据,从而弥补尖角特征法对于该类特征不能有效提取的不足;应用曲线构造功能可以在点云上根据建模人员的经验构造出特征的边界曲线,这是nurbs曲面模型建模中最基本的方法,但这是一个完全交互式的过程,也正是imageware逆向建模成为一门黑色工艺的最大障碍.参考文献【1】王霄,等.逆向工程技术及其应用m.化学工业出版社,2004.【2】陈文贤,等.imagewarevl1逆向工程应

15、用技术与范例m.台北:马路科技有限公司,2004.【3】姜元庆,刘佩军,译.ug/imageware逆向工程培训教程m.清华大学出版社,2003.【4】柯映林,等.反求工程cad建模理论,方法和系统m.机械工业出版社,2005.【5】richardhoffman,anilk.jain.segmentationandclassifi?cationofrangeimagesj.ieeetransactiononpatternanalysisandmachine,intelligence,1987,19(5):609629.【6】yangm,leee.segmentationofmeasuredpo

16、intdatausingaparametricquadricsurfaceapproximationj.comput?eraideddesign,1999,31(7):449457.【7】marinp,meyera,guiguev.partitionalongcharacteristicedgeofadigitizedpointcloudj.ieeetransactiononpatternanalysisandmachineintelligence,2001,23(4):326334.作者简介:余国鑫,男,1975年出生,江西丰城人,硕士研究生,主要研究方向为反求工程的研究.电话:020376

17、26767,email:rabyyu126.corn收稿日期:20060926(上接第l4页)表1刀触点坐标22.80.0032410.002561.6842371&75410.40791622.638921.9934480.249551.6842416.75410.6409822.13o894.0401220.556686.9580715.99856n98540421.23376.1193440.7991911.503814.504811.50611819.867368.2423650.951417.881110.423292.14172117.881110.423290.97491

18、9.86748.2423652.21582315.1290512.568550.8491721.23376.1193442.15112520.61587.1753750.8869422.13o94.0401221.9705719.867368.242365一o.951422.63891.9934481.71256911.5037814.504810.5687722.76160.9742971.557733&9580(15.99856一n1359922.80.0032411.3682024结论本文从最小有向距离原理出发,将控制轨迹的计算问题转化为求解距离函数的最小值问题,得出了能准确,快速计算出刀具轨迹的方法,并通过实例计算分析得出,当安装角=10.时可加工出较为理想的工件.采用内旋风数控包络铣削技术加工凸螺杆,可大大提高可凸螺杆的加工效率和加工精度.参考文献【i】王可,魏国家,柏占伟.内旋风式无瞬心包络加工螺杆数控铣削技术j.工艺与检测,2004(5):6163.【2】王可,赵文珍,唐宗军,王维,陈欣.异形螺杆无瞬心包络铣削技术研究j.中国机械工程,2