四轴数控机床加工复杂螺杆零件的方法分析

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摘　要：从四轴数控加工的模式分析出发，利用实际案例分析了其对复杂螺杆零件加工的方法，说明四轴数控模式可以有效的降低复杂螺杆的加工难度，并提高质量。

关键词：四轴数控　复杂螺杆　程序编辑

中图分类号：TG62

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）006-001-02

1 四轴数控机床结构特征分析

所谓的四轴数控机床就是在三轴数控机床的基础上增加一个可以旋转的轴，相对于以往的三轴数控机床其优势有：四轴数控在刀具的使用中表现出较大的自由度，可以避免相互干扰的情况；加工中刀具可以在更加有利的位置对表面进行切削，因此可以获得的更好的表面质量；最为突出的是刀具的自由度得到了提高，可以对刀具的轨迹的优化和控制，从而降低了加工中虚耗的时间，尤其提高了加工的效率。

从数控机床的铣削加工中，普遍采用的四轴控制形式如下：三个直线轴和一个旋转轴相互组合，即在三维度上作直线运行，与一个旋转轴相互组合，对于立式铣削机床而言，旋转轴的实现主要是将主轴和工作台本身的旋转来形成这个旋转轴，因为水平方向上的X、Y轴是可以联动的，因此机床在不超程与刀具相互不干扰的情况下，就可以完成对水平面上任意点的切削，所以实现主轴与工作台的旋转对四轴数控的意义并不大。对于立式机床而言，采用的往往是矩形工作台，因为本身结构的限制，如在竖向Y轴实现旋转，将会大大降低机床空间的利用效率，且增加工件在加工中的安装难度。因此在数控铣削的机床中利用X、Y、Z与A轴的控制形式是最佳方式。采用此类旋转模式的四轴控制机床可以在一次装夹后就可以完成对工件的多维度加工，且工序与角度的衔接可以实现自动化。如对复杂的箱体、复杂螺杆等因为采用了一次装夹多工序自动完成，相对与多次装夹的加工过程大幅度提高了工件加工的精确度与尺寸精度。这一类机床通过线性轴与旋转轴组合来完成对螺旋线等典型特征的螺杆的加工，尤其是带有回转特征的曲面可以完成一次性走刀，从而避免了接刀痕迹的出现，大大提高了表面质量。

2 四周数控机床对复杂螺杆的加工方法分析

在实际的应用中，对复杂螺杆的加工往往可以利用软件配合手工控制方式简化四轴控制而变为两轴问题，本文以双头螺杆的四轴加工为例分析其加工方法。

工件是双头螺旋螺杆（如图1）

材料为45号钢，加工的长度为170mm，其直径为26mm，左旋的螺旋轴距为80mm。双头螺杆的截面线性为0-90埃谝幌笙抻?9个关键点，其中有12个较为特殊。在加工这个螺杆的时候采用的是四轴立式机床，如前所述在三个水平性轴的基础上增加了一个旋转轴。在加工前必须对数控程序进行编辑，其步骤如下：

(1)在控制软件中获得加工型线。此时数据已经给定了XY坐标，就可以很容易的在软件中利用输入每一个坐标点来获得相应的加工曲线。但是如果加工图纸轴仅仅给定一个象限点，如果一次只生成一个四分之一曲线，在加工中形成的象限点是不光滑的。同时在案例中是按照极坐标给点，就需要利用笛卡尔坐标获得XY坐标，这样才能在数控软件中欧能个获得加工曲线。

在实际计算中，如果仅仅利用计算出的19个象限点，是不能完成加工的，需要进一步求出四个象限点的全数值，这样才能在软件中获得一个光滑的曲线。这里应注意，在作图的时候多为以X轴正向0埃⑶野凑漳媸闭敕较蛐ㄎ徽颉５峭贾街懈ǖ牡愣荚诘谝幌笙蓿币訷轴为正向0埃呈闭胛颍黄浯危孛嫔系南呤荴Y相对称的，要获得完整的曲线，就必须将一象限点做两次镜像。综合上面的情况，一象限的点镜像到四象限；重复一次镜像就是将一四象限点镜像到三、二象限上，这样才能保证曲线是闭合且完整。

完成计算获得象限点后，将数据传到编程软件中，生成加工曲线，当然不同的软件所采用的方式需要进行选择。在本案例中，将曲线点的文件保存为.as格式，这样在CAM中就可顺利进行编辑，而对应获得的文件后缀为.asc，在输入后就可以获得一个加工曲线。其步骤按照CAM提供的菜单提示就可完成，在文件中找到相应的文件并对其进行操作，选择输出的类型即可完成设定，其中可供选择的类型有：点群、折线、曲线控制、曲面控制等等。如果选择的样条曲线就可获得相应的曲线以供加工。

(2)在获得相应的加工曲面线后，应对其进行曲面构造。这时截面线就是曲面线，以此进行旋转与拉伸就得到了一个相对应的螺旋加工线面。在CAM的帮助下，利用这些线就可以获得加工面的造型。产生这个截面线还需要方向线与导动线、方向线等的结合，构造方向线的时候应让方向线与型面线垂直。构造导动线的时候应使其成为与螺距有关的螺旋线。在选择螺旋线上，根据软件提供的三种线性进行编辑，一种为半径固定而螺距曲线；一种为平面化的螺旋线；一种为半径因加工高度而改变的螺旋线。在上面的零件加工中应选择的是固定螺距的曲线，合成的线图如图2。

完成对应的螺旋线在选择后，即可以进行加工程序的编辑。在分析中应注意加工中的干扰问题，因为加工中采用的是球刀，刀具和工件的接触部位只在型线上点的法向线过中心的时候其Z轴为最小，编程步骤如下：选择刀具-设定刀具中心曲面-设刀具截面线-补偿曲线设定。而在实际的操作中可以将四轴进行简化，即先利用补偿曲线进行二轴编程，即仅仅需要XY坐标。加工时第四轴沿着X轴，U为轴坐标。按照笛卡尔坐标进行转换，此时就完成了坐标轴的替换，将极角作为U最薄，而极径则为Z坐标。

2.2 复杂螺杆的加工过程

程序编辑完成后，既可以输入到加工设备上完成加工。零件夹装的时候应注意加工中心的确定，主要是控制旋转中心与对应的零件顶端的同心度，通常要求的范围不能大于0.02mm；而回旋跳动的范围应小于0.01mm，这样就可以在加工中防止零件的“浮动”，提高加工精度。夹装中利用百分表在零件的最高处设置基准点，测量靠近夹盘的一侧，同时转动零件，观察指针的改变幅度，此时就可保证第四轴的回转幅度；然后移动X轴从夹盘的顶端，测量其改变的幅度，并进行调整，保证其高度一致。然后将表头防止在对侧的顶端部位，旋转第四轴此时就可确定其中心、尾部、顶端之间的高程差，并进行调整。在加工设定Z轴的时候，还需要注意对刀具的时候应将刀具的中心作为Z轴的中心，用Z轴设定器或者启发方式从刀尖对刀还应加上刀具的半径。如果还需要分为粗细加工则需要手动调校Z轴。

3 结束语

四周数控机床突出的特征就是在传统的三轴加工模式中增加了一个旋转轴，这样就可以通过一次性夹装来完成复杂工件的加工，同时依靠程序控制保证了零件加工的精度，有效的提高了加工零件的效率，因此面对复杂螺杆加工时可以获得较高加工精度与质量。

参考文献：

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