CN103760823A - 基于ug4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法 - Google Patents
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Abstract
基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法，本发明涉及球面精细阿基米德螺旋线加工方法。本发明是要解决采用常规方法无法满足基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线进行加工的问题，而提供了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。一、对数控加工程序进行编制；二、对刀具的结构和参数进行选择和确定；三、对球面精细阿基米德螺旋线进行加工；四、对阿基米德螺旋线刻线边沿修圆，即完成了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。属于复杂空间曲线数控加工技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及球面精细阿基米德螺旋线加工方法，属于复杂空间曲线数控加工技术领域。
背景技术
为了提高油气悬挂装置关键件球支承的使用寿命，设计要求在球支承外球表面加工深度不大于0.05mm，且要求边沿要修圆的阿基米德正弦螺旋刻线（如图2所示），用于存储润滑油，使零件在工作中润滑充分，提高零件的使用寿命。
由于该阿基米德螺旋线属于精细的三维空间曲线，所以采用常规方法无法满足进行加工，调研国内多家大型企业和研究院所都难以实现。目前在国内还没有找到可借鉴的阿基米德螺旋线刻线加工手段。所以研究一种在球面上加工精细阿基米德螺旋刻线的加工工艺方法对完成油气悬挂装置的研制具有重要的意义。
发明内容
本发明是要解决采用常规方法无法满足基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线进行加工的问题，而提供了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。
基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法包括以下内容：
一、规划螺旋线加工刀具的轨迹；
二、对刀具的结构和参数进行选择和确定；
三、对步骤一中的螺旋线加工刀具的轨迹进行修正，然后根据修正后的轨迹对球面进行精细阿基米德螺旋线的加工；
四、对步骤三得到的球面阿基米德螺旋线刻线边沿修圆，即完成了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。
发明效果：
本发明采用密特朗五轴加工中心，利用UG4.0三维软件，通过三维球体建立、阿基米德螺旋线数学方程建立及球面阿基米德正弦螺旋线参数化，构建了球面阿基米德正弦螺旋线模型，根据该模型，通过创建几何体、创建刀具、创建程序和操作，完成了球面阿基米德正弦螺旋线五轴数控加工程序编制；采用角度为55°、刀尖圆弧半径不大于R0.05、切削刃前端顶面通过刀尖中心的优质硬质合金专用刀具，通过合理选择切削用量，合理安排工艺流程，解决了刀具磨损、崩刃和加工效率低等关键技术难题，成功完成球面精细阿基米德螺旋线的加工，刻线深度控制在0.02～0.05之间，刻线均匀，刻线边缘光滑，球表面粗糙度达到Ra1.6以上，满足设计要求。
本发明采用密特朗五轴加工中心，利用UG4.0三维软件完成了空间曲线建立和加工程序生成，成功完成球面精细阿基米德螺旋线的加工。球表面刻线深度控制在0.02-0.05之间，刻线均用，边缘修圆光滑，满足设计要求。通过科学合理的选择刀具材料、刀具角度和切削用量，合理安排工艺流程，解决刀尖极易磨损和崩刃和加工效率低等关键技术问题，取得良好的加工效果，满足批量生产的要求。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是背景技术中球支承外形照片；
图3是背景技术中阿基米德螺旋线局部放大图；其中，d表示要求刻线的边缘修圆，h表示刻线深度不大于0.05；
图4是实施例中球支承球体实体的建立图；
图5是实施例中沿球面绕行一周的阿基米德螺旋线图；
图6是实施例中球面阿基米德螺旋线模型图；
图7是实施例中刀具角度图，其中，a表示刀具角度，b表示切削刃，c表示刀尖圆弧；
图8是实施例中UG4.0中选择工具-表达式图；其中，r：螺旋线各点到球心的距离---球体半径；t：变量，变化区间0～1；tt：图纸设定的正弦波幅，设定1mm；zx：正弦曲线在Z轴的偏移量；xt：曲线在X轴上的位置；yt：曲线在Y轴上的位置；zt1：设定球体1周内的正弦曲线数量为65个；
图9是实施例中创建操作图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法包括以下内容：
一、规划螺旋线加工刀具的轨迹；
二、对刀具的结构和参数进行选择和确定；
三、对步骤一中的螺旋线加工刀具的轨迹进行修正，然后根据修正后的轨迹对球面进行精细阿基米德螺旋线的加工；
四、对步骤三得到的球面阿基米德螺旋线刻线边沿修圆，即完成了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。
本实施方式效果：
本实施方式采用密特朗五轴加工中心，利用UG4.0三维软件，通过三维球体建立、阿基米德螺旋线数学方程建立及球面阿基米德正弦螺旋线参数化，构建了球面阿基米德正弦螺旋线模型，根据该模型，通过创建几何体、创建刀具、创建程序和操作，完成了球面阿基米德正弦螺旋线五轴数控加工程序编制；采用角度为55°、刀尖圆弧半径不大于R0.05、切削刃前端顶面通过刀尖中心的优质硬质合金专用刀具，通过合理选择切削用量，合理安排工艺流程，解决了刀具磨损、崩刃和加工效率低等关键技术难题，成功完成球面精细阿基米德螺旋线的加工，刻线深度控制在0.02～0.05之间，刻线均匀，刻线边缘光滑，球表面粗糙度达到Ra1.6以上，满足设计要求。
本实施方式采用密特朗五轴加工中心，利用UG4.0三维软件完成了空间曲线建立和加工程序生成，成功完成球面精细阿基米德螺旋线的加工。球表面刻线深度控制在0.02-0.05之间，刻线均用，边缘修圆光滑，满足设计要求。通过科学合理的选择刀具材料、刀具角度和切削用量，合理安排工艺流程，解决刀尖极易磨损和崩刃和加工效率低等关键技术问题，取得良好的加工效果，满足批量生产的要求。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中规划螺旋线加工刀具的轨迹具体过程为：
（1）建立球体模型：通过UG4.0软件，将球心设定为球体坐标系原点，并根据图纸要求，将球上的内孔与端面部分做布尔运算操作，初步完成球体实体的建立；
（2）螺旋线的建立：
在UG4.0软件中设定正弦曲线方程：
theta=t*360
xt=t
yt=sin(theta)
zt=0；其中，t表示变量，xt表示曲线在X轴上的位置，yt表示曲线在Y轴上的位置，zt表示曲线在Z轴上的位置；
（3）建立阿基米德螺旋线数学方程：阿基米德螺旋线，当点P沿动射线OP以等速率运动的同时，动射线OP有以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺旋线”，它的极坐标方程为r=aθ,假设a=10，θ=360*2，在UG4.0软件中的表达式如下：
a=10
theta=t*360*2
r=a*theta
xt=r*cos(theta)
yt=r*sin(theta)
zt=0；其中，t表示变量，xt表示曲线在X轴上的位置，yt表示曲线在Y轴上的位置，zt表示曲线在Z轴上的位置；
（4）建立球面阿基米德正弦螺旋线的参数化：在UG4.0中选择工具-表达式，设定如下：
r=32.5mm
rt=r2-zt12=1056.09mm2
t=0mm
tt=1mm
xt=sqrt(rt)*sin(360*t)=0mm
yt=sqrt(rt)*cos(360*t)=32.497mm
zt=zt1=-0.4mm
zt1=tt cos(360*t*65)-zx=-0.4mm
zx=(1.5-0.1)*cos(180*t)=1.4mm
其中：
r：螺旋线各点到球心的距离---球体半径；
t：变量；变化区间0～1；
tt：图纸设定的正弦波幅，设定1mm；
zx：正弦曲线在Z轴的偏移量；
xt：曲线在X轴上的位置；
yt：曲线在Y轴上的位置；
zt：曲线在Z轴上的位置；
zt1：设定球体1周内360度的正弦曲线数量为65个；
选择按照规律方程建立曲线，生成以中心为起点，沿球面绕行一周的阿基米德螺旋线，用UG4.0中的测量工具检测螺旋线的每个点与理论球面的距离基本为0mm，最大距离为0.001767mm；
球面阿基米德螺旋线的建立：根据以上的方程，设定球体旋转1周后Z轴偏移量，生成全部螺旋线。
（5）根据所绘制的螺旋线，在UG加工面板中进行设定及制作，选择《UG加工》，初始化后创建几何体、创建刀具、创建程序及方法与创建操作，选择多轴铣下的表面铣：选择几何体/刀具/方法后确定，驱动方式选择曲线/点，进入下一菜单后选择绘制的螺旋线，指定矢量选择指向点，选择圆心点，之后在刀轴选择4周相对于工件，其他选择项中设定各参数，点击生成图标，完成刀具轨迹；
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中所述对刀具的结构和参数进行选择和确定具体为：
刀具采用进口硬质合金棒材料，刀具角度55°，刀尖半径≤SR0.05，在刀尖部位加工一个通过中心的单切削刃，刀具角度与机床的切削速度有关，当机床转速达到20000转/分时，刀具可选择30°角度，当转数低于10000转/分时，刀具的角度不能小于50°。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中对阿基米德螺旋线刻线边沿修圆具体为：
采用研磨加抛光的工艺方法在数控车床上进行边缘修圆，机床转数选择1800转/分，先用布轮或细砂纸对阿基米德螺旋线的边沿加工毛刺进行研磨，然后用毛毡加研磨膏对球表面进行抛光。
由于加工的刻线深度不大于0.05，为了保证刻线均匀，我们分别采用了两个方案进行加工，一方案是在车球面时，将外球面留0.25mm加工量，然后在五轴加工中心将外球面和阿基米德螺旋线一次装夹完成，该方法加工刻线均匀，质量可靠，但加工效率低、成本高。二方案是在数控车床上将外球面加工完成，到五轴加工中心只加工阿基米德螺旋线，该方法加工效率比一方案提高2倍，难点是定位和找正比较困难，我们通过设计专用工装，车、铣定位基准统一，并利用数控加工中心找正，可保证刻线均匀，且外球面精度较高，但需要注意的是，车削球的直径公差必须保证在0.02之内。
加工效率提高一倍多，球表面粗糙度由Ra3.2提高到Ra1.6。通过工装定位和机床找正，能可靠保证刻线均匀，故目前采用二方案加工。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
实施例：
一、数控加工程序的编制
在UG4.0程序生成球体，将坐标系的原点设定为球心，并根据图纸要求，将内孔、端面等部分做布尔运算操作，初步完成球体实体的建立见图4；
在UG中设定正弦曲线方程，并建立阿基米德螺旋线数学方程；
建立球面阿基米德正弦螺旋线的参数化，将正弦曲线方程和阿基米德螺旋线方程融合在一起，按图8在UG4.0中选择工具-表达式；
保存后，选择曲线工具栏中的规律曲线，选择按照规律方程建立曲线，生成以中心为起点，沿球面绕行一周的阿基米德螺旋线见图5；
根据以上的方程，设定球体旋转1周后Z轴偏移量，生成全部螺旋线见图6；
根据所绘制的螺旋线，在UG加工面板中进行设定及制作；
选择球体曲线，将机床加工零点设定为球心（即默认的坐标系原点）；
图纸要求刻线宽度为0.1mm，由于检测刀路轨迹时很难观察，且后处理出来的仅是曲线坐标，与刀具直径无关，所以为了观察及检查方便，将刀具直径设定为2mm；
按照UG中自带的名称创建程序；
创建操作：选择多轴铣下的表面铣，如图9所示；
选择几何体/刀具/方法后确定，驱动方式选择曲线/点，进入下一菜单后选择绘制的螺旋线，指定矢量选择指向点，选择圆心点，之后在刀轴选择4周相对于工件，其他选择项中设定各参数，点击生成图标，完成刀具轨迹。
螺旋线加工程序的后置处理：首先生产标准的CLS文件，之后点击后处理图标，选择UG4.0自带的系统（如果此系统与加工机床系统相同），不符需要根据机床编程说明书编制后处理PUI文件，选择PUI文件后生成需要的机床加工程序。由于刀路轨迹是基于球体表面的理论曲线，加工时机床Z值需要做偏置。完成加工后检测与图纸要求相符，完成球体表面螺旋线的雕刻程序。
二、对刀具的结构和参数进行选择和确定：
采用进口硬质合金棒刃磨刀具，刀具角度55°，刀尖半径≤SR0.05，在刀尖部位加工一个通过中心的单切削刃见图7。
刀具的角度和切削用量有很大关系，经过试验得出：当机床转速较高时（如20000转/分），刀具可选择30°角度。当转数低于10000转/分较时，刀具的角度不能小于50°，否则刀尖极易磨损和崩刃。经过综合考虑，选择55°角度，在转数8000转/分时，也可加工出合格的产品，刀具使用寿命较高。刃磨一次刀具至少可加工3件产品，且不易崩刃。
刀具刃磨有三方面难点。一是刀具角度刃磨，应选择在自动磨刀机上自动磨削刀具的角度。二是刀具的刀尖圆弧半径，由于刀尖圆弧半径≤R0.05，且非常关键，所以是磨削的重点和难点，我们采用自动磨刀机结合手工研磨的方法进行刃磨，并用45倍以上放大镜检查。三是刀具切削刃的刃磨，也是非常关键和困难。采用自动磨刀机结合手工刃磨。必须精心操作，保证切削刃前端顶面通过刀尖中心。磨削后，用45倍以上放大镜检查刀尖圆弧半径和切削刃是否合格，不合格必须重新刃磨，否发及易出现刀尖磨损或崩刃。
三、对球面精细阿基米德螺旋线进行加工；
为了保证零件的定位准确，装夹可靠，刻线均匀，车球工序和加工刻线工序分别设计了专业夹具，都采用零件的内孔锥面定位，零件的内孔M36×2螺纹加紧。
由于加工的刻线深度不大于0.05，试生产时，为了保证刻线均匀，我们采用球面和阿基米德螺旋线一次装夹完成的方法。即车球面时留0.25mm加工量，在五轴加工中心将外球面和阿基米德螺旋线一次装夹完成。该方法加工刻线均匀，质量可靠，但在五轴加工中心加工球面效率低、成本高，且球表面粗糙度相对较差。后改为在数控车床上将外球面加工完成，到五轴加工中心只加工阿基米德螺旋线，使加工效率提高2倍多，球表面粗糙度由Ra3.2提高到Ra1.6。
四、对阿基米德螺旋线刻线边沿修圆：
由于阿基米德螺旋线深度非常浅和窄，边沿修圆无法用加工的方法进行，经过反复试验，采用研磨加抛光的工艺，效果非常好。抛光后，尺寸公差可保证在0.05以内，表面粗糙度达到Ra1.6以上，阿基米德螺旋线和外球面的边沿能够修圆，无毛刺和锐边现象。
方法是：在数控车床上，转数选择1800转/分。先用布轮或细砂纸对阿基米德螺旋线的边沿加工毛刺进行研磨，然后用毛毡+研磨膏对球表面进行抛光。
本实施例采用密特朗五轴加工中心，利用UG4.0三维软件完成了空间曲线建立和加工程序生成，成功完成球面精细阿基米德螺旋线的加工。球表面刻线深度控制在0.02-0.05之间，刻线均用，边缘修圆光滑，满足设计要求。通过科学合理的选择刀具材料、刀具角度和切削用量，合理安排工艺流程，解决刀尖极易磨损和崩刃和加工效率低等关键技术问题，取得良好的加工效果，满足批量生产的要求。
Claims (4)
1.基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法，其特征在于基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法包括以下内容：
一、规划螺旋线加工刀具的轨迹；
二、对刀具的结构和参数进行选择和确定；
三、对步骤一中的螺旋线加工刀具的轨迹进行修正，然后根据修正后的轨迹对球面进行精细阿基米德螺旋线的加工；
四、对步骤三得到的球面阿基米德螺旋线刻线边沿修圆，即完成了基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法。
2.根据权利要求1所述的基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法，其特征在于所述步骤一中规划螺旋线加工刀具的轨迹具体过程为：
（1）建立球体模型：通过UG4.0软件，将球心设定为球体坐标系原点，并根据图纸要求，将球上的内孔与端面部分做布尔运算操作，初步完成球体实体的建立；
（2）螺旋线的建立：
在UG4.0软件中设定正弦曲线方程：
theta=t*360
xt=t
yt=sin(theta)
zt=0；其中，t表示变量，xt表示曲线在X轴上的位置，yt表示曲线在Y轴上的位置，zt表示曲线在Z轴上的位置；
（3）建立阿基米德螺旋线数学方程：阿基米德螺旋线，当点P沿动射线OP以等速率运动的同时，动射线OP有以等角速度绕点O旋转，点P的轨迹称为“阿基米德螺旋线”，它的极坐标方程为r=aθ,假设a=10，θ=360*2，在UG4.0软件中的表达式如下：
a=10
theta=t*360*2
r=a*theta
xt=r*cos(theta)
yt=r*sin(theta)
zt=0；其中，t表示变量，xt表示曲线在X轴上的位置，yt表示曲线在Y轴上的位置，zt表示曲线在Z轴上的位置；
（4）建立球面阿基米德正弦螺旋线的参数化：在UG4.0中选择工具-表达式，设定如下：
r=32.5mm
rt=r2-zt12=1056.09mm2
t=0mm
tt=1mm
xt=sqrt(rt)*sin(360*t)=0mm
yt=sqrt(rt)*cos(360*t)=32.497mm
zt=zt1=-0.4mm
zt1=tt cos(360*t*65)-zx=-0.4mm
zx=(1.5-0.1)*cos(180*t)=1.4mm
其中：
r：螺旋线各点到球心的距离---球体半径；
t：变量；变化区间0～1；
tt：图纸设定的正弦波幅，设定1mm；
zx：正弦曲线在Z轴的偏移量；
xt：曲线在X轴上的位置；
yt：曲线在Y轴上的位置；
zt：曲线在Z轴上的位置；
zt1：设定球体1周内360度的正弦曲线数量为65个；
选择按照规律方程建立曲线，生成以中心为起点，沿球面绕行一周的阿基米德螺旋线，用UG4.0中的测量工具检测螺旋线的每个点与理论球面的距离基本为0mm，最大距离为0.001767mm；
球面阿基米德螺旋线的建立：根据以上的方程，设定球体旋转1周后Z轴偏移量，生成全部螺旋线。
3.根据权利要求1所述的基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法，其特征在于所述步骤二中所述对刀具的结构和参数进行选择和确定具体为：
刀具采用进口硬质合金棒材料，刀具角度55°，刀尖半径≤SR0.05，在刀尖部位加工一个通过中心的单切削刃，刀具角度与机床的切削速度有关，当机床转速达到20000转/分时，刀具可选择30°角度，当转数低于10000转/分时，刀具的角度不能小于50°。
4.根据权利要求1所述的基于UG4.0的球面精细阿基米德螺旋线加工方法，其特征在于所述步骤四中对阿基米德螺旋线刻线边沿修圆具体为：
采用研磨加抛光的工艺方法在数控车床上进行边缘修圆，机床转数选择1800转/分，先用布轮或细砂纸对阿基米德螺旋线的边沿加工毛刺进行研磨，然后用毛毡加研磨膏对球表面进行抛光。
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