探究三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽技术

黄小科

摘 要：三轴数控铣床是一种在X、Y、Z或左右、前后、上下同时联动的自动加工设备，其目前在机械零部件加工中的应用非常广泛。该文介绍的是一种三轴联动数控铣床加工圆锥螺旋槽技术，即：通过用万能分度头与X轴挂轮，以使工件围绕X轴旋转，从而加工完成高精度的圆锥螺旋槽，是一项应用效果好、经济效益好及可行性高的技术。

关键词：三轴数控铣床 圆锥螺旋槽 万能分度头 挂轮比

中图分类号：TG54 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0098-02

Abstract：Three axis nc milling machine is a X， Y， Z， or left and right， front and back， up and down at the same time of automatic processing equipment， its wide application in the mechanical parts processing. Is introduced in this paper a three-axis linkage CNC conical spiral flute milling machine machining， namely： by using the universal index head hang round with the X axis， so that the workpiece revolves around the X axis， thus finish high precision conical spiral groove processing， is a good application effect， good economic benefit and feasibility of high technology.

Key Words：Three axis nc milling machine；Taper spiral groove；Universal dividing head；Hanging round than

通常而言，圓锥螺旋槽类工件至少要选用四轴数控铣床进行加工。但从机械加工企业的技术现状来看，三轴数控机床的使用仍最普遍，即其常用来加工X、Y轴在0°～180°范围内任一角度的曲面，可见其加工范围有限。为了在不另购多轴加工机床的情况下顺利加工圆锥螺旋槽类工件，该文在现有机床的基础上，采用辅助工艺来加工工件。

1 加工工具的选用

图1所示是一种圆锥螺旋槽类工件。

针对图1所示圆锥螺旋槽类工件，在三轴数控铣床加工中，主要的加工工具包括数控铣床、万能分度头和刀具等，具体应按圆锥螺旋槽的加工要求来选型。

1.1 数控机床的选型

在圆锥螺旋槽加工中，数控铣床的选型最为关键，通常要求选用工作台一侧方便安装挂轮的机床，如XK6325B型数控摇臂铣床，注意所选机型不得设有防护挡板。

1.2 万能分度头的选用

万能分度头是一种安装在铣床上并用来等分（2～210等分）工件的精密附件，其工作原理如下：选用分度刻度环、游标、分度盘、定位销及交换齿轮，将卡在卡盘上或顶尖间的工件按任意角度划分；利用形状不一的刀具，辅助机床加工螺旋正齿轮、正齿轮、沟槽及阿基米德螺线凸轮等；万能分度头设有圆形工作台，通常可直接将工件固定在工作台上或用夹具紧固，从而实现多方位加工工件。据此，在选择万能分度头时，应注意如下要点：一是万能分度头与尾座顶尖中心的高度应保持一致，同时底部分设2块定位块，其与工作台的槽口应保持一致，从而保证工件在X轴上的平行度；二是尾座顶尖尽量带有轴承，并用三爪卡盘来替代分度头的顶尖。

1.3 刀具的选用

根据铣床上圆锥螺旋槽的加工轨迹，工件转一周的导程与铣刀在轴线上的移动距离相等，因此在同一螺旋槽上，任意一处螺旋线的导程相等。通常而言，可用下列方程式来描述螺旋角β：

其中，PZ为导程；D为直径。据此，在导程PZ一定的情况下，螺旋角β与直径D呈正相关。因此，在同一螺旋槽上，不同直径D对应的螺旋角不等，同时在同一截面上，不同螺旋角β对应的切线方向不同，则易在加工时出现“干涉”现象，即在切削时，切除本应保留的部分，使螺旋槽截面形状出现偏差。螺旋线属于曲线，则在铣刀旋转切削时，一旦齿刃的旋转表面偏离螺旋线，便会出现“干涉”现象，且若选用三面刃铣刀，不仅铣大槽口，还会加剧“干涉”现象。综上，在三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽中，建议选用宽度比螺旋槽槽宽窄的立铣刀。

2 挂轮比计算

在铣床上，螺旋槽的铣削要求铣刀旋转运动及工件在工作台的带动下纵向进给，同时保持工件转动的匀速状态。从工作台与工件的运动关系上可知，当工作台每次匀速移动的距离与工件导程PZ相等时，工件同时也应匀速旋转一周。为了满足这一要求，通常需在分度头上装夹工件，并用交换齿轮来将分度头的轴线旋转及工作台的水平运行联系在一起。在上述过程中，应严控交换齿轮的速比，具体计算方程式如下：

3 三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽

综上分析，三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽的工艺步骤可简单做如下归纳。

3.1 工件紧固

工件紧固是三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽的首要步骤，即：先将图1所示圆锥螺旋槽类工件的大头用万能分度头的卡盘卡紧，再用尾座顶尖将另一头顶紧，其中工件的大头是Φ50 mm圆，而另一头是Φ6 mm圆锥孔。

3.2 数值校正

为了保证工件的加工精度，应选用专业的仪器来依次校正工件的轴线平直度、圆跳动度及轴跳动度，该文选用的校正仪器是百分表。

3.3 挂轮作业

挂轮是三轴数控铣床加工圆锤螺旋槽的核心步骤，其操作流程如下：先在X轴丝杠的任一端装上100齿主动挂轮，再在分度头的侧轴上装上24齿被动挂轮，最后再在挂轮挡板上装上中间72齿主动挂轮和20齿被动挂轮，以使72齿主动挂轮啮入24齿被动挂轮及20齿被动挂轮啮入100齿主动挂轮。在这一过程中，要求注意如下事项：一是通过手轮带动X轴移动，并检查工件的运動轨迹与零件图的旋向是否吻合，否则通过将一个惰轮加装在挂轮挡板上，从而调整工件的运动轨迹；二是控制好相邻齿轮间的啮合间隙，具体做法是在安装挂轮时，将一张纸条夹在齿轮的啮合处。

3.4 设置加工刀路

为了解决反向间隙误差的问题，图1所示工件采用单向直线进给刀具的加工路径，通常避免进行环形加工。针对切屑加工，其主要分为粗、精加工。粗加工的要点包括：一是采用平行铣削，其中刀具选用的是R2.5 mm球刀；二是X、Y轴的进给率设为F350，究其原因为工件在旋转运动中会产生更大的旋向进给；三是采用单向切削，且进给方向选为从小头向大头，因为从刀具的切削力来看，从下向上远比从上向下大。精加工的要点包括：一是采用平行铣削，其中刀具选用的是R2 mm球刀，目的是控制工件与刀刃面的摩擦及工件在切削时的振动；二是采用单向切削，以解决反向间隙误差的问题。

3.5 程序加工

程序加工是三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽的重要内容，其实施流程如下：首先，展开圆锥螺旋槽，使其形成半圆槽，其中中心线段是工件在展开后的轮廓线；其次，将半圆槽绘制成半圆槽曲面；最后，利用UG、MASTER CAM等数控编程软件，粗、精加工工件。

4 结语

在三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽的整个应用过程中，需要注意下列控制要点：一是选用工作台一侧方便挂轮安装的数控铣床、万能分度头及宽度比螺旋槽槽宽窄的立铣刀；二是准确计算出工件的导程和挂轮比，这是提高工件加工精度的重要条件；三是在铣削加工中，严控切削量及优化加工工艺，以保证圆锥螺旋槽的加工质量满足实际使用要求，其中包括表面质量、尺寸精度等；四是鉴于三轴数控铣床加工圆锥螺旋槽技术的复杂性，应重视对技术人员的培养，其中包括专业技能、辅助技术及职业道德等的培养。总体而言，对于图1所示圆锥螺旋槽类及相似的工件，前文谈及的加工技术完全可在满足生产成本要求的条件下，保质保量完成工件加工任务。

参考文献

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