CN107097106A - 一种球头立铣刀前刀面新型加工算法 - Google Patents

一种球头立铣刀前刀面新型加工算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球头立铣刀前刀面S形刃线的加工算法，包括以下步骤：(1)确定S形刃线公式；(2)根据S形刃线公式，求出刃线上任意一点的法向量(N)、切向量(T)和密切向量(S)，同时求出和法向量(N)、切向量(T)、密切向量(S)分别垂直的法平面、密切平面、从切平面；(3)求出在X‑Z平面内前刀面沟槽曲线公式，以此求出由S形刃线上的点到法平面与沟槽曲线公式交点的距离L1；(4)求出砂轮的磨削深度L；(5)对刀具坐标系、活动坐标系和机床坐标系进行转换，进行后置处理，转换成机床坐标系的运动参数，进行加工；(6)将后置处理完成的数据，进行编程，转换为机床能够识别的NC代码进行加工。

Description

一种球头立铣刀前刀面新型加工算法
技术领域
本发明涉及刀具磨床加工球头铣刀的优化方法，具体的说，是涉及一种球头立铣刀前刀面新型加工算法。
背景技术
近年来，国内对刀具磨削技术的发展，使得国内对球头铣刀的磨削加工有很大程度上的进步，但是在加工精度和磨削方式上还是存在很大问题，刀具的磨削方式很大程度上机床的结构相关，本文采用WBS五轴联动机床(参见图1)，进行加工刀具，但是用原始的加工方法加工磨削时，球头立铣刀的圆柱部分会被整体切除，这种方法不再使用此类机床，因此需要设计研究新型加工方法，以此来满足切削要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种适用于五轴联动机床的更方便、更高效的球头立铣刀前刀面新型加工算法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种球头立铣刀前刀面S形刃线的加工算法，包括以下步骤：
(1)确定S形刃线公式；
(2)根据S形刃线公式，求出刃线上任意一点的法向量(N)、切向量(T)和密切向量(S)，同时求出和法向量(N)、切向量(T)、密切向量(S)分别垂直的法平面、密切平面、从切平面；
(3)求出在X-Z平面内前刀面沟槽曲线公式，以此求出由S形刃线上的点到法平面与沟槽曲线公式交点的距离L1；
(4)求出砂轮的磨削深度L；
(5)对刀具坐标系、活动坐标系和机床坐标系进行转换，进行后置处理，转换成机床坐标系的运动参数，进行加工；
(6)将后置处理完成的数据，进行编程，转换为机床能够识别的NC代码进行加工。
S形刃线的方程为：
其中R为球头立铣刀的半径，此公式在θ接近90°时依然成立，w为螺旋角，θ为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与Z轴的夹角的余角，为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与轴X的夹角。
步骤(3)中在X-Z平面内，前刀面沟槽曲线公式：
X＝a*Z2+b；(0＜b＜R)
其中a为二次项系数，其决定了沟槽部分曲线的形状，b决定了球头立铣刀在球头和圆
柱的交点处切削的深度；
其中(X，Z)为刀刃曲线上的坐标值，(Xr，Zr)为沟槽曲线上的坐标值，以此来计算出在X-Z平面上L1的值。
步骤(4)中砂轮的磨削深度：
其中δ为砂轮的轴线在垂直于X-Z平面时，砂轮相对于X-Z平面所旋转的角度。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
该方法解决了对球头立铣刀加工前刀面时，对圆柱部分过切的问题，更加简单，方便高效的对前刀面进行成型加工，也为加工前刀面提出一种新型的加工方法和算法。
附图说明
图1是本发明适用的五轴联动机床的结构示意图。
图2是本发明球头铣刀前刀面所建立的坐标系示意图。
图3是本发明砂轮磨削深度的的示意图。
图4是本发明球头铣刀和砂轮相对的空间位姿示意图。
图5是本发明球头立铣刀所需要建立的后置处理坐标转换关系图。
图6是本发明加工前刀面的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的一种球头立铣刀前刀面S形刃线的加工算法，它包括以下步骤：
步骤一、本发明采用的是五轴联动数控机床，如图1所示，X,Y,Z为坐标轴，A,C为转动轴，在加工前刀面时，五轴会已联动的方式进行加工；
步骤二、根据球头立铣刀球球头部分的曲线公式，曲线不同，加工的方式也不相同，本实施例是关于一种基于“S”形刃线的球头立铣刀前刀面的加工算法。
“S”形刃线的方程为：
其中R为球头立铣刀的半径，此公式在θ接近90°时依然成立，w为螺旋角，θ为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与Z轴的夹角的余角，为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与轴X的夹角；
步骤三、根据S形刃线公式，求出刃线上任意一点的法向量(N)切向量(T)密切向量(S)，同时求出和三个向量分别垂直的平面(法平面，密切平面，从切平面)如图2所示(图中OG-XGYGZG砂轮坐标系，O-XYZ为工件坐标系),在进行加工的时候砂轮的位姿(位置和姿态)的确定，需要由每个点的S，N，T共同确定，因此必须求出任意时刻的三个向量；
S＝T×N
步骤四、根据球头立铣刀前刀面的设计方案，砂轮在刃磨前刀面的时候，需要将砂轮端面与球头铣刀的S形刃线在每一刻都要保持固定的位姿，砂轮端面的法向量Ag需要与S形刃线上的法平面保持一定的角度，砂轮的姿态确定后还有确定砂轮的位置，砂轮的位置的确定需要沟槽的曲线公式。求出在X-Z平面内，前刀面沟槽曲线公式。以此求出由S形刃线上的点到法平面与沟槽曲线公式交点的距离L1；
在坐标X-Z平面内，球头铣刀刃线方程为：
沟槽曲线在X-Z平面内的抛物线方程：
X＝a*Z2+b；(0＜b＜R)
a为刀槽曲线的二次项系数，b为砂轮刃磨时进入的深度；
在X-Z平面内刃线上任意一点P的位置，根据图3、图4可以看到L1长度表示，图3、图4中Ag为砂轮坐标系中砂轮的法向量，O为机床坐标系的原点，r为从O点到P点的距离；rog为从O点到Og点的距离，rg为从Og到P点的距离；
沟槽曲线上任意一点法向的斜率为：
方程组联立得到Z的表达式：
最终求得L1为：
其中(X，Z)为刀刃曲线上的坐标值，(Xr，Zr)为沟槽曲线上的坐标值，以此来计算出在X-Z平面上L1的值；
步骤五、根据前刀面的设计要求，在砂轮加工前刀面的时候还需要一个偏转角δ，以此来求出砂轮的磨削深度
步骤六、砂轮在对球头立铣刀前刀面进行磨削时，不仅需要知道磨削的深度L，还需要知道砂轮磨削的空间位姿。需要对工件坐标系O-X5Y5Z5，砂轮坐标系O-X4Y4Z4，机床坐标系O-X0Y0Z0进行转换，进行后置处理，后置处理的坐标系是图5中的O-X1Y1Z1至O-X3Y3Z3转换成机床坐标系的运动参数，进行加工；其中O-X1Y1Z1是对XYZ三个坐标系进行转换，O-X2Y2Z2是A轴进行转换，O-X3Y3Z3是对C轴进行转换，将工件坐标系和砂轮坐标系最终转换为机床坐标系，如图5(图中存在六个坐标系，目的是将工件坐标系O-X5Y5Z5和砂轮坐标系O-X4Y4Z4最终转换为机床坐标系O-X0Y0Z0进行加工)；
后置处理的公式：
C＝acos(-aGz)
x＝(rOGxcos(c)-rOGy sin(c))-Rg
y＝-(-sin(A)-rOGz sin(A)+rOGy cos(A)cos(C)+rOGx cos(A)sin(C))
z＝(rOGz cos(A)+cos(A)+rOGy cos(C)sin(A)+rOGy sin(C)sin(A))-Ld
步骤七、将初始数据经过后置处理转换为机床能够识别的NC代码进行加工，图6为本发明加工前刀面的简要的流程示意图。；
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种球头立铣刀前刀面S形刃线的加工算法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定S形刃线公式；
(2)根据S形刃线公式，求出刃线上任意一点的法向量(N)、切向量(T)和密切向量(S)，同时求出和法向量(N)、切向量(T)、密切向量(S)分别垂直的法平面、密切平面、从切平面；
(3)求出在X-Z平面内前刀面沟槽曲线公式，以此求出由S形刃线上的点到法平面与沟槽曲线公式交点的距离L1；
(4)求出砂轮的磨削深度L；
(5)对刀具坐标系、活动坐标系和机床坐标系进行转换，进行后置处理，转换成机床坐标系的运动参数，进行加工；
(6)将后置处理完成的数据，进行编程，转换为机床能够识别的NC代码进行加工。
2.根据权利要求1所述一种球头立铣刀前刀面新型加工算法，其特征在于，S形刃线的方程为：
其中R为球头立铣刀的半径，此公式在θ接近90°时依然成立，w为螺旋角，θ为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与Z轴的夹角的余角，为刀刃曲线上点p在X-Y平面投影与轴X的夹角。
3.根据权利要求1所述一种球头立铣刀前刀面新型加工算法，其特征在于，步骤(3)中在X-Z平面内，前刀面沟槽部分的曲线公式：
X＝a*Z2+b；(0＜b＜R)
其中a为二次项系数，其决定了沟槽部分曲线的形状，b决定了球头立铣刀在球头和圆柱的交点处切削的深度；
<mrow> <mi>L</mi> <mn>1</mn> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>Z</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>Z</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中(X，Z)为刀刃曲线上的坐标值，(Xr，Zr)为沟槽曲线上的坐标值，以此来计算出在X-Z平面上L1的值。
4.根据权利要求1所述一种球头立铣刀前刀面新型加工算法，其特征在于，步骤(4)中砂轮的磨削深度：
<mrow> <mi>L</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;delta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中δ为砂轮的轴线在垂直于X-Z平面时，砂轮相对于X-Z平面所旋转的角度。
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