CN108176887A - 鼓锥形球头铣刀定制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种鼓锥形球头铣刀定制方法，属于数控铣削加工技术领域。首先设计鼓锥形球头铣刀的相关几何关系，同时考虑加工效率的切削参数，得到相关的几何图；然后根据相关几何关系的限制和制约关系，建立数学模型；参数化定制时，首先根据已知参数，带入相关的数学模型，求解桶状侧刃半径范围和刀杆颈部直径范围；通过手动给定桶状侧刃半径范围和刀杆颈部直径范围内的参数，参数选取整数；得到剩下的参数值，在三维软件UG里建立鼓锥形球头铣刀的三维模型。本发明在保证加工表面质量的基础上，加工效率提升3倍以上，避免出现因换刀出现的接刀痕和换刀误差，便于工程人员系统化，参数化定制，非常简单、方便。

Description

鼓锥形球头铣刀定制方法

技术领域

本发明属于数控铣削加工曲面技术领域，涉及鼓锥形球头铣刀定制方法。本发明设计了新侧铣叶轮、叶盘等复杂曲面的刀具鼓锥形球头铣刀的定制方法。针对铣削加工中，已知实际加工中的部分切削参数(切削最大倾斜角a、球头半径r、切削残留高度h、理想切削走刀行距h)，可通过数学模型得到鼓锥形铣刀的全部参数的方法，发明了鼓锥形铣刀的定制方法。

背景技术

叶轮、整体叶盘叶片作为典型的复杂曲面，广泛应用于军事、航空航天、化工等领域，其数控加工品质直接影响其动力性能和机械效率。因此，高效高质量的加工出高品质的叶轮、整体叶盘成为国内外重点研究课题之一。除了部分直纹面的，大部分高性能叶轮、整体叶盘叶片是自由曲面，造型复杂，导致刀位计算和无干涉刀轴矢量的计算都有一定的难度。主要表现在:1、叶片曲面造型复杂，多由自由曲面组成，一般需要五轴联动数控机床加工。2、结构复杂，叶片扭曲度大，流道深，相邻叶片的间距较小，加工除了要考虑刀具与被加工叶片曲面之间可能发生的干涉以外，还必须考虑刀具与相邻叶片曲面发生干涉的情况。3、一般情况下，传统标准的刀具球头刀切削效率底下，不能够满足其要求。必须要足够的考虑实际切削加工中的最大切削倾斜角，切削走刀行距等，在保证表面质量的基础上，提高加工效率才能很好地适应当代切削加工的发展趋势。

传统加工曲面中，因为球头铣刀适应能力强，刀位规划简单而被广泛采用，但是球头刀的切削刃是单一曲率的，且曲率半径做不到很大，所以导致切削加工的走刀行距比较小，走刀路径比较长，切削效率低。随着现代生产对曲面的加工品质和加工效率的要求越来越高，传统的球头刀加工已远远不能满足加工要求。近年来采用具有非球头刀加工刀具开始受到重视。蔡永林，席光的《任意曲面叶轮五坐标数控加工刀具轨迹生成》提出了刀具轨迹的计算方法，表明在同等加工条件下，利用鼓锥形刀侧铣加工比用球头刀加工叶轮、叶盘等复杂曲面的效率有显著提高。与球头刀具相比，鼓形刀具的曲率可以很大，还可设计成变曲率轮廓，更适合于加工复杂曲面。这样，对于同样的残留高度即相同的切削表面质量，可增大加工行距，使总的刀具轨迹长度变短，从而可以提高工件的数控加工效率，但是传统鼓形刀由于其外形结构导致的侧刃利用率低，自身结构刚性差，同时加工叶轮整体叶盘等复杂曲面的清根时由于换刀而导致的接刀痕、换刀误差也严重制约了鼓形刀在加工这些复杂曲面的应用。而锥形刀由于刀具侧刃与刀轴夹角恒定，导致加工变斜角零件灵活性很小。同时为了提高刀具切削刃的利用率，考虑到小半径的球头刀能进行清根的优点，我们结合几种刀具的优势，设计了该刀具。

在叶盘加工中，几何参数确定的原则是：能够保证鼓锥形球头刀和被加工曲面根部相接触的同时，存在一个最大倾斜角度a使得鼓锥形刀和被加工对象不发生局部干涉。针对清根加工时的倒角，给定球头半径r。为了保证表面质量，确定理论的切削残留高度h。同时考虑提高切削效率，给定理想切削行距s。

在严苛的加工要求中，标准的数控铣削刀具并不能满足所有的情况，例如，在加工叶轮的过程中，普通的刀具进行加工会出现干涉的问题，所以，需要进行定制鼓锥形铣刀。现在的情况是，每次定制鼓锥形铣刀，人们都是根据自己的需求，单独定制，自己有自己的定制标准，而针对不同的切削条件要求，并不存在统一的，系统化的定制方法。我们就是针对这种情况下，对数控铣削刀具进行系统化，参数化的刀具定制。实现了系统化，快捷化，参数化定制。

发明内容

现有叶轮、叶盘等复杂自由曲面数控加工过程中，标准刀具并不能满足所有情况，很多加工限制的情况下，需要定制鼓形铣刀。通用CAM软件中鼓形铣刀设计参数仅考虑几何因素，存在对实际工程需求(球头半径、刀轴最大倾斜角、轨迹行距、切削残留高度)考虑不足的问题。为解决上述问题，本发明提出了一种参数化的鼓锥形铣刀设计模型，制定了定制鼓锥形铣刀的标准化定制方法；基于该模型，可根据实际工程应用，给定4个参数直接计算生成鼓锥形球头铣刀，便于刀具定制。

本发明的技术方案：

首先设计鼓锥形球头铣刀的相关几何关系，同时考虑加工效率的切削参数，得到相关的几何图；然后根据相关几何关系的限制和制约关系，建立数学模型；参数化定制时，首先根据已知参数，带入相关的数学模型，求解桶状侧刃半径范围和刀杆颈部直径范围；通过手动给定桶状侧刃半径范围和刀杆颈部直径范围内的参数，参数选取整数；得到剩下的参数值，在三维软件UG里建立鼓锥形球头铣刀的三维模型。

鼓锥形球头铣刀定制方法，具体步骤如下：

步骤1：在已知球头的半径r、最大切削倾斜角度a、切削残留高度h和切削走刀行距s的情况下，根据限制情况和清根球头半径要求确定切削参数；

切削参数：侧刃圆中心重叠直径为D、刀杆颈部直径为ND、桶状侧刃半径为R、Y中心值为Y、下半径为R₁、上半径为R₂、刀长为L和刀刃长度为FL；

其中：上半径R₂恒为0，L按需要设置；ND和R为限制性尺寸，根据求解过程中的限制情况给定；将已知参数代入求解R的限制性条件，根据公式计算出桶状侧刃半径R和刀杆直径ND的限制值，公式如下：

根据给定范围假设R和ND的值；

步骤2：根据公式，带入相关参数化方程，求解其参数值：D、Y、FL，公式如下：

最终得到鼓锥形球头铣刀的详细参数：D、ND、R、Y、R₁、R₂，L、FL。

本发明的有益效果：

1、该刀具相比传统加工用球头刀，保证加工表面质量的基础上，加工效率提升3倍以上。

2、利用同一把刀实现了叶轮、整体叶盘的侧铣精加工和清根加工，避免出现因换刀出现的接刀痕和换刀误差。

3、其定制方法同时考虑了加工几何限制性和加工效率等，更多的考虑到实际加工要求进行定制。

4、其定制方法便于工程人员系统化，参数化定制，非常简单、方便。

附图说明

图1是鼓锥形球头铣刀的基本几何尺寸关系图；

图2是鼓锥形球头铣刀基本外形参数示意图；

图3是鼓锥形球头铣刀切削加工过程示意图；

图4是实施例中定制出的刀具外形示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

根据加工自由曲面的情况，给出定制刀具时的基本要求：

r：球头的半径

a：切削刀具未干涉的最大倾斜角

s：切削理想走刀行距

h：切削理想残留高度

要求根据这些参数定制出鼓锥形球头刀。鼓锥形刀的基本外形如图1。鼓锥形球头刀的刀头部分有AB段、BC段、CD段。其中，AB段和CD段完全对称，是半径为R的圆弧，BC段是半径为r的圆弧，其中BC段分别和AB、CD段在点B、C点相切，且相切点的切线与刀轴线的夹角为a。加工时，考虑干涉情况，侧铣加工过程中刀轴与切削平面成角度为a的锐角，其切触点为点B/C。

在加工编程中UG需要用到的鼓形刀所有参数如图2所示，分别是：

侧刃圆中心重叠直径为D、刀杆颈部直径ND、桶状侧刃半径R、Y中心值Y、下半径R1、上半径R2、刀长L、刀刃长度FL的值。其中R2为0mm，R1为r，刀长L根据实际加工要求定制，其他参数都需要通过计算给出，通过设计的数学模型计算完成。

在图3可以看出，实际加工中的切削残留高度为F到OG的距离，但是其半径R一般值比较大，r较小，为了简化计算，可以将E点到OG的距离近似成切削残留高度，且EO恒大于要求的切削残留高度。其满足的条件是保证定h的情况下，s要达到指定要求，R的最小值。

由图3知：圆弧EG的半径为R，OG为切削行距s，TG为切削残留高度h，所以

s²+(R-h)²＝R²

要达到s的指定要求，则

D和其他条件的约束：图2中因为M、Q关于中轴线对称，所以：

D＝2(O₂Q-I₁I)＝2[R-(R-r)×cosa] (2)

则刀杆的直径ND应该小于D，但是应该大于EU,否则影响到下一刀的切削，影响加工表面：

ND≥2EU＝2O₁E×cosa＝2(r-h)×cosa

2(r-h)cosa≤ND≤2[R-(R-r)cosa] (3)

由图知：

Y＝(R-r)sina+r (4)

所以：

可以得到相关参数的值：

根据此数学模型即可得到基本外形参数的鼓锥形球头铣刀。

实施例：

以某一整体叶盘清根加工时所需要球头半径为4mm；防止相邻叶片干涉时几何限制的最大切削倾斜角为8度；保证表面质量的切削残留高度为0.02，保证加工效率的理想切削行距为2mm，定制鼓锥形球头铣刀在数控编程中所用到的所有参数。

根据公式(6)

在编程时设置以上参数，通过建模得到了刀具外形如图4所示。

Claims (1)

1.一种鼓锥形球头铣刀定制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：在已知球头的半径r、最大切削倾斜角度a、切削残留高度h和切削走刀行距s的情况下，根据限制情况和清根球头半径要求确定切削参数；

切削参数：侧刃圆中心重叠直径为D、刀杆颈部直径为ND、桶状侧刃半径为R、Y中心值为Y、下半径为R₁、上半径为R₂、刀长为L和刀刃长度为FL；

其中：上半径R₂恒为0，L按需要设置；ND和R为限制性尺寸，根据求解过程中的限制情况给定；将已知参数代入求解R的限制性条件，根据公式计算出桶状侧刃半径R和刀杆直径ND的限制值，公式如下：

根据给定范围假设R和ND的值；

步骤2：根据公式，带入相关参数化方程，求解其参数值：D、Y、FL，公式如下：

最终得到鼓锥形球头铣刀的详细参数：D、ND、R、Y、R₁、R₂，L、FL。