0 引言异型螺杆被广泛应用于石油、化工、轧钢、橡塑、轻工和农机等行业中的原料加工、供送等工序中。在供送装置中它将规则或者不规则排列的成批物体 ,按照给定的工艺要求分批或逐个地供送到包装工位。在供送过程中可以按需要完成增距、减距、分流、合流、升降、起伏、转向或者翻身等工艺要求。异型螺杆的大致结构如图 1所示 ,根据异型螺杆参数的不同可将其分为变深螺杆、变距螺杆、变距变深螺杆及其组合体。根据螺纹槽的法向截型可分为直线截型和曲线截型。这些螺杆形状复杂而且精度要求高 ,通常其加工是由专用设备完成的 ,这大大降低了其制造的灵活性。针对该问题 ,本文建立了异型螺杆的数学模型 ,并对其数控铣加工技术进行研究。图 1 双头双楔型端面左旋变深变距螺杆1 异型螺杆的数学模型 (X轴表示螺杆的轴向 )(1)异型螺杆槽底螺旋线公式表示①等螺距等深槽底螺旋线公式 r1=XdYdZd=kpt/ 36 0d2 costd2 sint(1)②变深等螺距槽底螺旋线公式 r2 =XbYbZb= kpt/ 36 0(d12 +(d12 - d22 )·Xb/l)·cost(d12 +(d12 - d22 )·Xb/l)·sint(2 )③等深变螺距槽底螺旋线公式 r2 =XbYbZb=k·((p1+Δp36 0 t) +p)·t/ (36 0×2 ) d2 cost d2 sint(3)④变螺距变深槽底螺旋线公式 r2 =XbYbZb=k·((p1+Δp36 0 t) +p)·t/ (36 0× 2 )(d12 +(d12 - d22 )·Xb/l)·cost(d12 +(d12 - d22 )·Xb/l)·sint(4 )(2 )直线截型螺杆槽顶螺旋线公式如下所示①等螺距槽顶螺旋线公式 R1d=X1dY1dZ1d= r1+Δd2 · β (5 )其中 :Δd =D -d β =±tgαcostsint,正、负号由左右型面决定②变螺距变深槽顶螺旋线公式 R1b=X1bY1bZ1b= r2 +Δdb2 · β (6 )其中 :Δdb=D - (d1+(d1-d2 )·Xb/l)公式 (1)、 (2 )、 (3)、 (4 )中 :左旋时 ,k =- 1;右旋时 ,k =1。p—等螺距部分螺距 ;D—螺杆外径 ;α—螺杆型面楔角 ;p1—变螺距部分初始螺距 ;Δp—变螺距部分每转螺距变化量 ;d—等螺距部分槽底直径 ;d1-变螺距部分初始槽底直径 ; d2 -变螺距部分最终槽底直径 (d1>d2 ) ;l—变螺距部分有效长度 ; t—螺旋角。2 异型螺杆数控加工技术(1)机床要求异形螺杆数控加工要求四轴四联动数控机床 ,除三个平移坐标 (X、Y、Z)外 ,还须一个转动坐标 ,可以是A、B、C中的任意一个 ,在加工时至少须三轴联动。为方便讨论 ,现可假定转动轴为绕X轴旋转的A轴 ,机床主轴方向为Z。(2 )数控加工编程以UGV18 0作为异型螺杆实体造型和数控编程的平台 ,图 1是根据异形螺杆的数学模型对一种双头双楔型端面左旋变深变距螺杆的实体造型。为保证零件的加工质量和提高加工效率 ,数控编程可分为粗加工和精加工两部分。①粗加工数控程序的编制。粗加工的主要任务是去处螺旋槽里的余量 ,避免精加工时加工量过大 ,影响零件的精度和表面质量。为了提高粗加工的效率 ,刀具选用平底棒铣刀 ,刀具直径应尽可能的大。其具体编程过程如下 :利用UG软件Modeling模块的 (ExtractCurve)功能提取螺旋槽底的两条螺旋线 ,测量两条线间的最小距离 ,并根据该距离选用直径尽可能大的刀具进行粗加工。用以上两条线按点对点的方法选用(ThroughCurve)的曲面造型功能生成螺旋槽底曲面 ,并提取该面中间曲线。采用多轴铣削加工 (Mill_Muti_Axis)方法 ,以螺杆的轴向作为加工坐标系的X轴 ,加工坐标系的Y、Z轴为螺杆的径向。驱动方法(DriveMethod)采用 (Curve/Point)为加工路径的导动线 ,选择螺旋槽底中间曲线为走刀导动线。刀轴方向选用AwayFromLine方式 ,并将螺杆轴线作为选择对象。再把零件加工表面、加工容差选择好后就可生成螺杆的粗加工开槽的 刀位轨迹。②精加工数控程序的编程。精加工根据截型选用成型铣刀。首先根据所选用成型铣刀的底部半径和槽底螺旋线用UG功能(OffsetinFace)求出走刀路线的两条导动线 ,偏置距离等于所选用刀具的底部半径。采用多轴铣削加工 (Mill_Muti_Axis)方法 ,以螺杆的轴向作为加工坐标系的X轴 ,加工坐标系的Y、Z轴为螺杆的径向。驱动方法 (DriveMethod)采用曲线驱动 (Curve/Point)为加工路径的导动线 ,选择上面偏置所得到的曲线为导动线。刀轴方向选用AwayFromLine方式 ,并选择螺杆的中心轴线。再把零件加工表面、加工容差、安全面、进退刀方式等选择好后就可生成加工刀位。(3)加工程序的后置处理输出刀位后生成刀位文件 ( cls)。其格式如下 :GOTO/x ,y ,z,ax,ay,az……其中x、y、z是刀位点坐标 ,ax,ay,az 是表示该刀位点对应的刀轴方向单位矢量。后置处理后加工程序的格式要求如下 :N X Y Z A……后置处理计算按下列方式进行 :因旋转轴是A轴 ,刀轴方向始终垂直于A轴 ,故刀轴矢量分量ax=0。A角计算如下 :az=0时 A =90°ay 0 ,az>0时 A =arctg ayazay<0 ,az<0时 A =180°-arctg ayazay 0 ,az<0时 A =180°+arctg ayazay>0 ,az<0时 A =36 0°-arctg ayaz(7)在一个程序中 ,A的变化应该是连续的。按上面公式计算A时 ,若后续计算的A角度小于前面计算的A角 ,则应给后续的A角度加 36 0° ,也就是说后续计算的A角度应大于前面计算的A角度。X、Y、Z计算如下 :X =xY =ycosA +zsinAZ =-ysinA +zcosA(4 )异型螺杆数控加工工艺①加工分为粗加工和精加工 ,图 2是双楔型端面左旋变深变距螺杆用平底刀进行去余量粗加工 ,图 3是用成形刀进行精加工 ,成型刀的形状根据法向截型决定。②螺杆在加工时如果程序的Y坐标为 0 ,则刀具底刃中心要参与切削 ,这时刀具中心的实际切削为零 ,在该状态下刀具极易磨损和损坏 ,这将大大降低加工的效率和零件表面质量。为了改善这种局面 ,在实际加工时可以根据螺杆螺旋升角的大小使刀具沿Y轴偏置一个刀具半径。螺旋升角按下式计算 :=arctg (T/πD) (9)其中 :T—导程 ;D—螺杆外径。这样刀具的侧刃切削而刀心不参加切削 ,大大改善了切削效果 ,而且提高了生产率。刀具沿Y轴偏置一个刀具半径 ,相应X坐标要根据螺旋升角的大小变化ΔX ,即ΔX =±Rtg (10 )正负号由左旋还是右旋决定。③对于直线截型异型螺杆 ,由于螺杆型面是有楔角的螺旋面 ,螺旋槽底部窄 ,顶部宽 ,为了在粗加工时多加工掉余量 ,粗加工要进行分层加工。在保持程序不变的情况下刀具可沿X轴移动 ,即对加工坐标系中原点中的X坐标进行改变。刀具每抬高 1mm ,加工坐标系中原点X坐标变化±tgα (α为螺杆型面楔角 ) ,正负号根据加工左侧面还是右侧面来确定。这样就为最后的精加工去掉了大量余量 ,减轻了成型刀的加工负担 ,降低了刀具成本 ,而且大大提高了加工效率。3 结束语采用以上的数学模型和数控加工技术我们对多种单头、双头双楔型端面左、右旋变深变距螺杆进行了加工。实际加工证明数学模型和编程方法正确 ,加工工艺合理异型螺杆数学模型与数控加工技术研究@任军学$西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室!西安710072
@蔺小军$西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室!西安710072
@史耀耀$西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室!西安710072
@李山$西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室!西安710072异型螺杆;;
数学模型;;
数控加工;;加工工艺本文给出了几类异型螺杆的数学模型,并对异型螺杆的数控编 程方法及数控加工工艺进行了研究,解决了通用数控机床加工该类零件的问题【1】林 双利用UG开发变距分件供送螺杆的通用设计程序
【2】朱复华螺杆设计及其理论基础轻工业出版社,19845
【3】刘雄伟等数控加工理论与编程技术北京:机械工业出版社,2000
【4】王宇华等基于UG的复杂外形零件CAD几何造型压缩机技术,1997(2):26～28愕腁角度。X、Y、Z计算如下 :X =xY =ycosA +zsinAZ =-ysinA +zcosA(4 )异型螺杆数控加工工艺①加工分为粗加工和精加工 ,图 2是双楔型端面左旋变深变距螺杆用平底刀进行去余量粗加工 ,图 3是用成形刀进行精加工 ,成型刀的形状根据法向截型决定。②螺杆在加工时如果程序的Y坐标为 0 ,则刀具底刃中心要参与切削 ,这时刀具中心的实际切削为零 ,在该状态下刀具极易磨损和损坏 ,这将大大降低加工的效率和零件表面质量。为了改善这种局面 ,在实际加工时可以根据螺杆螺旋升角的大小使刀具沿Y轴偏置一个刀具半径。螺旋升角按下式计算 :=arctg (T/πD) (9)其中 :T—导程 ;D—螺杆外径。这样刀具的侧刃切削而刀心不参加切削 ,大大改善了切削效果 ,而且提高了生产率。刀具
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