CN101318303A - 球头立铣刀的磨削加工方法及磨削加工四轴联动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球头立铣刀的磨削加工方法及磨削加工四轴联动设备，它在磨削过程中一边使砂轮(8)绕其主轴作旋转运动，以及使球头立铣刀(9)绕其轴线X作转动，一边将球头立铣刀(9)沿其轴线X进行平移、同时将球头立铣刀(9)沿垂直于轴线X的水平轴线Y进行移动、将球头立铣刀(9)沿垂直于轴线X和轴线Y的轴线Z进行移动，构成四轴联动磨削加工。本发明能够一次装夹磨削加工出球头立铣刀球头前刀面和圆周前刀面，可以在一台专用机床上实现所有前后刀面的磨削，本发明的磨削设备比五轴联动加工中心减少了一根转动轴，从而使机床结构更加简单，运动部件间精度易保证，有效的降低了设备成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种球头立铣刀的加工方法及加工的设备，尤其是一种球头立铣刀的磨削加工方法及磨削加工四轴联动设备。
背景技术
球头立铣刀是数控机床上加工复杂曲面的一种刀具，在模具制造、汽车制造、航天航空、电子通讯产品制造等行业有着广泛的应用。球头立铣刀沟槽和后刀面的磨削加工是球头立铣刀生产的关键的工序。
目前球头立铣刀的磨削加工方法主要有两类：一类是采用四轴联动以下简单的磨削加工设备进行刃磨，其磨削加工生产的球头立铣刀存在以下问题：(1)不能一次磨削加工出球刃前刀面和周刃前刀面，造成两者之间连接处存在台阶。(2)球头立铣刀前刀面和后刀面分别在不同磨削加工设备上完成；(3)磨削加工出的球刃刃形和几何参数不合理。大多数设备磨削加工出的球刃是平面刃，球刃前刀面存在负前角；(4)用这类磨削设备加工的球头立铣刀加工，零件表面精度和质量较差。另一类采用五轴联动磨削加工机床进行刃磨。该类磨削加工机床的五轴联动采用两个转动轴和三个移动轴之间联动，设备设计复杂，设备制造精度要求高，制造难度加大，造成设备价格高。购买该类设备的投资大，造成球头立铣刀的生产和刃磨成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种球头立铣刀的磨削加工方法，同时提供一种球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备。
为解决上述技术问题，本发明的方案是这样构成的：球头立铣刀的磨削加工方法。它使用砂轮对球头立铣刀的前刀面和后刀面进行磨削加工，在磨削过程中一边使砂轮绕其主轴作旋转运动，以及使球头立铣刀绕其轴线X作转动，一边将球头立铣刀沿其轴线X进行平移、同时将球头立铣刀沿垂直于轴线X的水平轴线Y进行移动以及同时将球头立铣刀沿垂直于轴线X和轴线Y的轴线Z进行移动，构成四轴联动磨削加工。
上述的球头立铣刀的磨削加工方法，在磨削球头立铣刀的球刃前刀面过程中，球头立铣刀一边绕其轴线X转动，一边按照设定的运动关系与砂轮作相对运动；砂轮与球头立铣刀的接触线包络形成螺旋槽，螺旋面前刀面由砂轮端面圆周平面形成；在磨削球头立铣刀的圆周部分前刀面过程中，球头立铣刀相对于砂轮沿其轴线边转动边移动作螺旋运动，实现螺旋槽前刀面的加工。
前述的球头立铣刀的磨削加工方法，在磨削球头立铣刀的球刃后刀面过程中，砂轮与球头立铣刀根据已经形成的主切削刃刃形作四轴联动相对运动，砂轮的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切；在磨削球头立铣刀圆周部分后刀面过程中，砂轮与球头立铣刀作边转动边移动的相对运动或作三轴联动的相对运动，砂轮的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切。
前述的球头立铣刀的磨削加工方法，在磨削球头立铣刀圆周部分后刀面过程中，磨削圆柱形球头立铣刀时，砂轮与球头立铣刀作边转动边移动的相对运动；磨削圆锥形球头立铣刀时，砂轮与球头立铣刀作三轴联动的相对运动。
前述的球头立铣刀的磨削加工方法，球刃部分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆柱形球头立铣刀圆柱部分槽底曲线为护轴线螺旋线，圆锥形球头立铣刀圆锥部分槽底曲线为圆锥螺旋线；球头部分槽底曲线和圆周槽底曲线在球头与圆周交接附近实现光滑连接。
本发明的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备。包括床身和安装在床身上的水平纵向X轴直线运动平台、水平横向Y轴直线运动平台、垂直方向Z轴直线运动平台、工件旋转轴和前刀面磨头、后刀面磨头，水平纵向X轴直线运动平台与水平横向Y轴直线运动平台相互垂直；工件旋转轴安装在水平纵向X轴直线运动平台上，并可分别随水平纵向X轴直线运动平台和水平横向Y轴直线运动平台沿X轴、Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台与水平纵向X轴直线运动平台和水平横向Y轴直线运动平台搭接或与前刀面磨头和后刀面磨头搭接。
上述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头相对安装在机床两侧。
前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头也可沿Z轴方向保持一定间距依次重叠安装。
前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头和后刀面磨头也可相距串装在同一砂轮轴上，但在磨削前刀面和后刀面时，需调整分度，转动一个安装角。
前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头可绕垂直于水平面的轴线在水平面内360度分度转动。
前述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备中，前刀面磨头可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转动。
与现有技术相比，本发明的磨削方法能够一次装夹磨削加工出球头立铣刀球头前刀面和圆周前刀面，实现了球刃前刀面和周刃前刀面的光滑连接，也可一次装夹完成球头后刀面和圆柱棱带的磨削，可以在一台专用机床上实现所有前后刀面的磨削。本发明的磨削设备采用X、Y、Z三个相互垂直的直线运动平台和绕工件(球头立铣刀)轴线转动的旋转轴，比五轴联动加工中心减少了一根转动轴，从而使机床结构更加简单，运动部件间精度易保证，有效的降低了设备成本。对球头立铣刀生产厂家而言，有效解决了经济生产优质球头立铣刀的制造问题；对于球头立铣刀的用户，尤其是用量较大的模具和汽车行业企业，避免了刀具用钝后丢弃带来的巨大浪费，有利于球头立铣刀的经济重磨和再制造，对球头立铣刀生产单位和用户具有重要的经济意义。
附图说明
图1为磨削加工球头立铣刀前刀面的运动关系示意图；
图2为磨削加工球头立铣刀后刀面的运动关系示意图；
图3为本发明的磨削加工四轴联动设备的结构示意图；
图4为图3的左向侧视图。
具体实施方式
本发明的实施例1：如附图3、4所示。包括床身1和安装在床身1上的水平纵向X轴直线运动平台2、水平横向Y轴直线运动平台3、垂直方向Z轴直线运动平台4、工件旋转轴5、前刀面磨头6和后刀面磨头7。还包括液压气动系统、润滑系统、冷却系统、数控系统、砂轮修磨装置和伺服运动控制系统等其他辅助装置。床身1采用咸阳机床厂生产的MYA6025型万能工具磨床，伺服运动控制系统由安川(YASKAWA)的∑-II系列SGDM型伺服驱动器(型号为SGDM-08ADA、SGDM-15ADA)、伺服电机和PMAC运动控制卡组成。Y轴直线运动平台3与工具磨床工作台的纵向移动方向平行，磨削过程中工具磨床的纵向、横向进给机构和砂轮升降机构锁死。前刀面磨头6用于加工前刀面，后刀面磨头7用于加工后刀面，前刀面磨头6和后刀面磨头7相对安装床身1两侧，分别磨削加工出球头立铣刀前后刀面。前刀面磨头6和后刀面磨头7也可相距串装在同一砂轮轴上，但在磨削前刀面和后刀面时，需调整分度，转动一个安装角。前刀面磨头6可绕垂直于水平面的轴线在水平面内360度分度转动∑1，以调整砂轮轴与工件轴的夹角。也可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转动∑2，以调整砂轮的姿态(通常∑2＝0°)。后刀面磨头7的砂轮轴与水平纵向X轴直线运动平台2的轴线垂直。水平纵向X轴直线运动平台2与水平横向Y轴直线运动平台3相互垂直；工件旋转轴5安装在水平纵向X轴直线运动平台2上，可随水平纵向X轴直线运动平台2沿X轴方向移动和随水平横向Y轴直线运动平台3沿Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台4与水平纵向X轴直线运动平台2和水平横向Y轴直线运动平台3搭接，以实现工件(球头立铣刀)之间在垂直方向的相对运动。水平纵向X轴直线运动平台2、水平横向Y轴直线运动平台3、垂直方向Z轴直线运动平台4均采用滚珠丝杆传动。
在磨削球头立铣刀9的球刃前刀面时，如附图1所示。球头立铣刀9一边绕其轴线X转动，一边按照设定的运动关系与砂轮8作相对运动；砂轮8与球头立铣刀9的接触线包络形成螺旋槽，螺旋面前刀面由砂轮端面圆周平面形成；在磨削球头立铣刀9的圆周部分前刀面过程中，球头立铣刀9相对于砂轮8沿其轴线边转动边移动作螺旋运动，实现螺旋槽前刀面的加工。球头立铣刀9的槽底曲线的起点对应砂轮端面圆周并与之相切接触，球刃部分槽底终相切接触点对应砂轮最低点。磨削加工前刀面的砂轮可以为碟形砂轮、圆锥形砂轮、成形砂轮等。磨削加工球头立铣刀前刀面一般步骤为：1)、确定球头立铣刀槽底曲线。球头立铣刀9的槽底曲线由球头部分槽底曲线和圆柱部分槽底曲线连接而成。球头部分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆柱形球头立铣刀圆柱部分槽底曲线为护轴线螺旋线，球头部分槽底曲线和圆周槽底曲线(护轴线螺旋线或圆锥螺旋线)在球头与圆周交接附近实现光滑连接；2)、确定砂轮8相对于球头立铣刀9的位置关系。磨削加工前，砂轮大圆端面与工件(球头立铣刀)轴线成一安装角∑1，同时砂轮绕水平轴旋转∑2。∑1一般为β+(1°～3°)(β为球头立铣刀周刃螺旋角)，∑2可以根据需要在±10°范围内调整。3)、球头立铣刀相对于砂轮的运动轨迹。磨削加工过程中，球头立铣刀的槽底曲线BBe的起点B对应砂轮端面圆周P0并与之相切接触，球刃部分槽底终相切接触点Be对应砂轮最低点Pe。由于BBe是回转曲面上的变导程螺旋线，根据BBe和砂轮大圆相切可以确定工件(球头立铣刀)相对于砂轮的四轴联动(A、
)运动关系，即两者的相对运动轨迹。4)、按照相对运动轨迹，编写加工程序，在专用数控磨床上实现磨削加工。
在磨削球头立铣刀9的球刃后刀面过程中，如附图2所示。砂轮8与球头立铣刀9根据已经形成的主切削刃刃形作四轴联动相对运动。四轴联动是绕球头立铣刀轴线X的转动A、沿轴线X的平移
、垂直于轴线X的水平轴线Y的移动
和沿垂直于轴线X和轴线Y的轴线Z的移动
。砂轮8的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切；在磨削球头立铣刀9圆周部分后刀面过程中，磨削圆柱形球头立铣刀时，砂轮8与球头立铣刀9作边转动边移动的相对运动，砂轮8的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切。后刀面磨削加工时，可以选用平形砂轮、锥形砂轮，并可根据所选砂轮的形状，可以通过调整砂轮8的安装位置和修磨砂轮来满足后刀面磨削要求。磨削加工球头立铣刀后刀面一般步骤为：1)、确定前刀面与球面和圆周面的交线即切削刃。砂轮大圆端面与球头立铣刀干涉形成前刀面，后刀面磨削过程中，砂轮与工件的接触线随进给而变化，接触线与球面交点的连线构成切削刃；2)、确定砂轮的安装位置和形状参数。砂轮坐标系相对于工件(球头立铣刀)坐标系有一定的位置关系。根据所选砂轮的形状，可以通过调整砂轮的安装位置和修磨砂轮来满足后刀面磨削要求；3)、计算砂轮相对于球头立铣刀的运动轨迹。磨削过程中任一时刻切削刃上的一点与砂轮的圆周面相切，切点是根据球头立铣刀的旋转A，轴向移动
、水平径向移动
和垂直径向移动
实现的，结合1)所确定的切削刃上的坐标点，确定球头立铣刀相对于砂轮中心的运动轨迹；按照相对运动轨迹，编写加工程序，在专用数控磨床上实现磨削加工。
本发明的实施例2：包括床身1和安装在床身1上的水平纵向X轴直线运动平台2、水平横向Y轴直线运动平台3、垂直方向Z轴直线运动平台4、工件旋转轴5、前刀面磨头6和后刀面磨头7。还包括液压气动系统、润滑系统、冷却系统、数控系统、砂轮修磨装置和伺服运动控制系统等其他辅助装置。床身1采用咸阳机床厂生产的MYA6025型万能工具磨床，伺服运动控制系统由安川(YASKAWA)的∑-II系列SGDM型伺服驱动器(型号为SGDM-08ADA、SGDM-15ADA)、伺服电机和PMAC运动控制卡组成。Y轴直线运动平台3与工具磨床工作台的纵向移动方向平行，磨削过程中工具磨床的纵向、横向进给机构和砂轮升降机构锁死。前刀面磨头6用于加工前刀面，后刀面磨头7用于加工后刀面，前刀面磨头6和后刀面磨头7沿Z轴方向重叠安装，但在Z轴方向上保持必要的间距，以保证球头立铣刀磨削加工中合理的空间位置。前刀面磨头6可绕垂直于水平面的轴线在水平面内360度分度转动∑1，以调整砂轮轴与工件轴的夹角。也可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转动∑2，以调整砂轮的姿态(通常∑2＝0°)。后刀面磨头7的砂轮轴与水平纵向X轴直线运动平台2的轴线垂直。水平纵向X轴直线运动平台2与水平横向Y轴直线运动平台3相互垂直；工件旋转轴5安装在水平纵向X轴直线运动平台2上，可随水平纵向X轴直线运动平台2沿X轴方向移动和随水平横向Y轴直线运动平台3沿Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台4与前刀面磨头6和后刀面磨头7搭接。水平纵向X轴直线运动平台2、水平横向Y轴直线运动平台3、垂直方向Z轴直线运动平台4均采用滚珠丝杆传动。
在磨削球头立铣刀9的球刃前刀面时，如附图1所示。球头立铣刀9一边绕其轴线X转动，一边按照设定的运动关系与砂轮8作相对运动；砂轮8与球头立铣刀9的接触线包络形成螺旋槽，螺旋面前刀面由砂轮端面圆周平面形成；在磨削球头立铣刀9的圆周部分前刀面过程中，球头立铣刀9相对于砂轮8沿其轴线边转动边移动作螺旋运动，实现螺旋槽前刀面的加工。球头立铣刀9的槽底曲线的起点对应砂轮端面圆周并与之相切接触，球刃部分槽底终相切接触点对应砂轮最低点。磨削加工前刀面的砂轮可以为碟形砂轮、圆锥形砂轮、成形砂轮等。磨削加工球头立铣刀前刀面一般步骤为：1)、确定球头立铣刀槽底曲线。球头立铣刀9的槽底曲线由球头部分槽底曲线和圆柱部分槽底曲线连接而成。球头部分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆锥部分槽底曲线为圆锥螺旋线，球头部分槽底曲线和圆周槽底曲线(护轴线螺旋线或圆锥螺旋线)在球头与圆周交接附近实现光滑连接；2)、确定砂轮8相对于球头立铣刀9的位置关系。磨削加工前，砂轮大圆端面与工件(球头立铣刀)轴线成一安装角∑1，同时砂轮绕水平轴旋转∑2。∑1一般为β+(1°～3°)(β为球头立铣刀周刃螺旋角)，∑2可以根据需要在±10°范围内调整。3)、球头立铣刀相对于砂轮的运动轨迹。磨削加工过程中，球头立铣刀的槽底曲线BBe的起点B对应砂轮端面圆周P0并与之相切接触，球刃部分槽底终相切接触点Be对应砂轮最低点Pe。由于BBe是回转曲面上的变导程螺旋线，根据BBe和砂轮大圆相切可以确定工件(球头立铣刀)相对于砂轮的四轴联动(A、
)运动关系，即两者的相对运动轨迹。4)、按照相对运动轨迹，编写加工程序，在专用数控磨床上实现磨削加工。
在磨削球头立铣刀9的球刃后刀面过程中，如附图2所示。砂轮8与球头立铣刀9根据已经形成的主切削刃刃形作四轴联动相对运动。四轴联动是绕球头立铣刀轴线X的转动A、沿轴线X的平移
、垂直于轴线X的水平轴线Y的移动
和沿垂直于轴线X和轴线Y的轴线Z的移动
。砂轮8的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切；在磨削球头立铣刀9圆周部分后刀面过程中，磨削圆锥形球头立铣刀时，砂轮8与球头立铣刀9作三轴(A、
)联动的相对运动。砂轮8的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切。后刀面磨削加工时，可以选用平形砂轮、锥形砂轮，并可根据所选砂轮的形状，可以通过调整砂轮8的安装位置和修磨砂轮来满足后刀面磨削要求。磨削加工球头立铣刀后刀面一般步骤为：1)、确定前刀面与球面和圆周面的交线即切削刃。砂轮大圆端面与球头立铣刀干涉形成前刀面，后刀面磨削过程中，砂轮与工件的接触线随进给而变化，接触线与球面交点的连线构成切削刃；2)、确定砂轮的安装位置和形状参数。砂轮坐标系相对于工件(球头立铣刀)坐标系有一定的位置关系。根据所选砂轮的形状，可以通过调整砂轮的安装位置和修磨砂轮来满足后刀面磨削要求；3)、计算砂轮相对于球头立铣刀的运动轨迹。磨削过程中任一时刻切削刃上的一点与砂轮的圆周面相切，切点是根据球头立铣刀的旋转A，轴向移动
、水平径向移动
和垂直径向移动
实现的，结合1)所确定的切削刃上的坐标点，确定球头立铣刀相对于砂轮中心的运动轨迹；按照相对运动轨迹，编写加工程序，在专用数控磨床上实现磨削加工。
Claims (11)
1.一种球头立铣刀的磨削加工方法，它使用砂轮(8)对球头立铣刀(9)的前刀面和后刀面进行磨削加工，其特征在于：在磨削过程中一边使砂轮(8)绕其主轴作旋转运动，以及使球头立铣刀(9)绕其轴线X作转动，一边将球头立铣刀(9)沿其轴线X进行平移、同时将球头立铣刀(9)沿垂直于轴线X的水平轴线Y进行移动、将球头立铣刀(9)沿垂直于轴线X和轴线Y的轴线Z进行移动，构成四轴联动磨削加工。
2.根据权利要求1所述的球头立铣刀的磨削加工方法，其特征在于：在磨削球头立铣刀(9)的球刃前刀面过程中，球头立铣刀(9)一边绕其轴线X转动，一边按照设定的运动关系与砂轮(8)作相对运动；砂轮(8)与球头立铣刀(9)的接触线包络形成螺旋槽，螺旋面前刀面由砂轮端面圆周平面形成；在磨削球头立铣刀(9)的圆周部分前刀面过程中，球头立铣刀(9)相对于砂轮(8)沿其轴线边转动边移动作螺旋运动，实现螺旋槽前刀面的加工。
3.根据权利要求1所述的球头立铣刀的磨削加工方法，其特征在于：在磨削球头立铣刀(9)的球刃后刀面过程中，砂轮(8)与球头立铣刀(9)根据已经形成的主切削刃刃形作四轴联动相对运动，砂轮(8)的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切；在磨削球头立铣刀(9)圆周部分后刀面过程中，砂轮(8)与球头立铣刀(9)作边转动边移动的相对运动或作三轴联动的相对运动，砂轮(8)的外圆周母线始终与已经形成的切削刃相切。
4.根据权利要求3所述的球头立铣刀的磨削加工方法，其特征在于：在磨削球头立铣刀(9)圆周部分后刀面过程中，磨削圆柱形球头立铣刀时，砂轮(8)与球头立铣刀(9)作边转动边移动的相对运动；磨削圆锥形球头立铣刀时，砂轮(8)与球头立铣刀(9)作三轴联动的相对运动。
5.根据权利要求2或3所述的球头立铣刀的磨削加工方法，其特征在于：球刃部分槽底曲线为回转曲面变导程螺旋线，圆柱形球头立铣刀圆柱部分槽底曲线为护轴线螺旋线，圆锥形球头立铣刀圆锥部分槽底曲线为圆锥螺旋线；球头部分槽底曲线和圆周槽底曲线在球头与圆周交接附近实现光滑连接。
6.一种球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，包括床身(1)和安装在床身(1)上的水平纵向X轴直线运动平台(2)、水平横向Y轴直线运动平台(3)、垂直方向Z轴直线运动平台(4)、工件旋转轴(5)和前刀面磨头(6)、后刀面磨头(7)，其特征在于：水平纵向X轴直线运动平台(2)与水平横向Y轴直线运动平台(3)相互垂直；工件旋转轴(5)安装在水平纵向X轴直线运动平台(2)上，并可分别随水平纵向X轴直线运动平台(2)和水平横向Y轴直线运动平台(3)沿X轴、Y轴方向移动；垂直方向Z轴直线运动平台(4)与水平纵向X轴直线运动平台(2)和水平横向Y轴直线运动平台(3)搭接或与前刀面磨头(6)和后刀面磨头(7)搭接。
7.根据权利要求6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特征在于：前刀面磨头(6)和后刀面磨头(7)相对安装在机床两侧。
8.根据权利要求6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特征在于：前刀面磨头(6)和后刀面磨头(7)沿Z轴方向保持一定间距依次重叠安装。
9.根据权利要求6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特征在于：前刀面磨头(6)和后刀面磨头(7)沿Z轴方向保持一定间距依次重叠安装。
10.根据权利要求6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特征在于：前刀面磨头(6)可绕垂直于水平面的轴线在水平面内360度分度转动。
11.根据权利要求6所述的球头立铣刀的磨削加工四轴联动设备，其特征在于：前刀面磨头(6)可绕垂直于X轴和垂直于Y轴的轴线转动。
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