摘要：對(duì)目前常用的無瞬心包絡(luò)法螺桿加工數(shù)控程序中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析研究，提出了一種校驗(yàn)數(shù)控程序精度的分析方法，為改進(jìn)數(shù)控程序提供了理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞：無瞬心包絡(luò)；螺桿；精度分析 1 概述 隨著我國石油、天然氣資源開發(fā)技術(shù)特別是定向井開采技術(shù)的發(fā)展，螺桿鉆具的用量不斷增多，其重要部件——轉(zhuǎn)子螺旋桿的加工技術(shù)也在不斷更新。 目前，國內(nèi)外在數(shù)控螺桿銑床上多應(yīng)用無瞬心包絡(luò)法對(duì)螺桿鉆具轉(zhuǎn)子進(jìn)行銑削加工，這種高效螺桿加工技術(shù)從1994年我們就開始研究，并逐步得到推廣應(yīng)用。 在實(shí)際生產(chǎn)中，編制高效、高精度的數(shù)控加工程序，能夠充分地發(fā)揮機(jī)床的功能和無瞬心包絡(luò)法的工藝優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)目前常用的程序編制方法中出現(xiàn)的不足，提出了通過計(jì)算機(jī)模擬對(duì)螺桿加工精度進(jìn)行分析的方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序精度的檢驗(yàn)和仿真，也為編程人員改進(jìn)程序設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 2 加工工藝 2.1螺桿的幾何特征及加工原理 螺桿鉆具轉(zhuǎn)子大多為3～9頭螺桿，其典型截面廓形如圖1所示。但各制造廠設(shè)計(jì)的截面線形不盡相同，一般是由內(nèi)外圓弧、內(nèi)外擺線以及其過渡曲線等組成的復(fù)雜曲線。 [align=center] 圖1螺桿截面廓形 （a）三頭螺桿截形（b）五頭螺桿截形[/align] 應(yīng)用無瞬心包絡(luò)法加工此類螺桿的加工原理如圖2所示。所用的刀具是刀尖角為α的盤銑刀，以轉(zhuǎn)動(dòng)（n）為切削的主運(yùn)動(dòng)。機(jī)床在CNC的控制下，按確定規(guī)律實(shí)現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)（Y軸）和刀具徑向（X軸）位移的聯(lián)動(dòng)，包絡(luò)加工出工件截面輪廓曲線；通過Y軸和Z軸的聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)刀具沿螺旋方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成螺旋方向的包絡(luò)加工。也就是說，通過X、Y、Z三軸的聯(lián)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)任意頭數(shù)、任意截面線形的此類螺桿的加工。 [align=center] 圖2無瞬心包絡(luò)加工原理圖[/align] 2.2程序編制及精度檢驗(yàn)方法 按上述的無瞬心包絡(luò)原理加工螺桿，其輪廓曲線的精度主要靠數(shù)控加工程序來保證，因此較好地編制加工程序便成為加工此類曲面零件的一項(xiàng)重要工作。目前各廠家常用的編程方法主要有兩大類：一是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照相等間隔計(jì)算出工件截面輪廓曲線上若干點(diǎn)的坐標(biāo)值，對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行直線插補(bǔ)；二是在程序編制中按等精度法進(jìn)行曲線逼近計(jì)算。后一種方法所需程序段數(shù)相對(duì)較少，精度也稍高。加工完畢的螺桿用樣板光隙法進(jìn)行檢測。 上述的各種編程方法都是在簡化了若干個(gè)條件的情況下進(jìn)行的，存在著一定的誤差，而檢測方法的誤差也較大。若要進(jìn)一步提高工件的加工精度，改善螺桿鉆具的性能，還必須進(jìn)行更深入、更仔細(xì)的研究。 3 加工精度分析 3.1影響加工精度的主要因素 從理論上講，截面包絡(luò)法是使銑刀和工件在X、Y、Z三個(gè)方向的相互運(yùn)動(dòng)中，由刀刃逐點(diǎn)把廓形包絡(luò)切削出來。由于目前的數(shù)控加工程序多數(shù)是根據(jù)工件和刀具在工件截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系編制的，因此產(chǎn)生了一系列誤差，主要有以下四種： （1）編程時(shí)只考慮工件和刀具在工件截面內(nèi)的平面運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而忽略了刀具和工件的空間嚙合關(guān)系產(chǎn)生的誤差； （2）銑刀的安裝角為δ，其值等于螺桿中徑的螺旋角β0，這樣在偏離中徑的位置處由于刀具安裝角δ與工件實(shí)際螺旋角β不同而產(chǎn)生了誤差； （3）數(shù)控加工程序是點(diǎn)到點(diǎn)輸入，當(dāng)進(jìn)行直線插補(bǔ)時(shí)，刀具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)卻是阿基米德螺線的插補(bǔ)，也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差； （4）進(jìn)行刀尖圓弧補(bǔ)償時(shí)，目前多將刀尖投影的形狀簡化成圓弧，但由于刀具安裝角δ的存在，刀尖在截面內(nèi)的實(shí)際投影應(yīng)是橢圓，這樣產(chǎn)生的誤差大小是隨著刀尖圓弧半徑的大小而變化的。 因此，本文中考慮到上述四種因素，在計(jì)算機(jī)中模擬刀具和工件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系，在空間內(nèi)計(jì)算出工件的實(shí)際加工廓形，然后與理論廓形進(jìn)行比較，計(jì)算出工件的廓形誤差，從而對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行校驗(yàn)，為數(shù)控加工程序的改進(jìn)提供可靠的依據(jù)。 3.2加工精度的分析方法 3.2.1建立數(shù)學(xué)模型 為了便于分析，需建立以下數(shù)學(xué)模型：根據(jù)實(shí)際加工情況，把刀具建立成為圓環(huán)面與圓錐面的復(fù)合曲面模型；根據(jù)工件和刀具的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立刀具與工件相對(duì)位置關(guān)系模型、刀具與工件按數(shù)控加工程序的運(yùn)動(dòng)軌跡模型；建立理論曲線與實(shí)際加工工件廓形的關(guān)系模型，即誤差計(jì)算模型等。 3.2.2動(dòng)態(tài)模擬和精度分析 將刀具和工件在切削點(diǎn)附近的給定區(qū)域內(nèi)離散成多個(gè)截面，把它們?cè)诿總€(gè)截面內(nèi)離散成多個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)值。根據(jù)實(shí)際加工情況，計(jì)算出在某一加工位置時(shí)，工件模型被刀具模型切割的切割面上離散點(diǎn)坐標(biāo)。使刀具按數(shù)控程序中已給定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的位置，再計(jì)算出對(duì)應(yīng)的切割面上的離散點(diǎn)坐標(biāo)。如此往復(fù)地進(jìn)行下去，可計(jì)算出一個(gè)周期的工件實(shí)際加工廓形。工件沿Y坐標(biāo)、刀具沿Z坐標(biāo)，按數(shù)控程序中給定的規(guī)律沿螺旋方向運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的截面，再計(jì)算出對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的工件實(shí)際加工廓形。由此可模擬出工件的實(shí)際切削過程，得到整個(gè)工件輪廓的離散點(diǎn)坐標(biāo)。所得數(shù)據(jù)可真實(shí)地反映工件廓形和在加工過程中產(chǎn)生的形狀精度、尺寸精度和波紋度的實(shí)際情況。精度分析程序流程如圖3所示。 [align=center] 圖3程序流程圖[/align] 將上述計(jì)算結(jié)果與理論廓形進(jìn)行比較，便可計(jì)算出工件各個(gè)位置處廓形誤差的大小及方向。通過分析可得到誤差的變化規(guī)律。由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有數(shù)控程序精度的校核，并為數(shù)控程序的改進(jìn)提供了依據(jù)。經(jīng)過一、二次模擬循環(huán)，便可得到滿意的數(shù)控程序。通過這種模擬分析可計(jì)算出數(shù)控程序的精度，在不進(jìn)行切削試驗(yàn)的情況下，可方便地得到理想的加工程序。 4 結(jié)論 （1）用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行精度分析是一種有效的驗(yàn)證加工精度的方法； （2）本文所述的精度分析方法是獲得理想數(shù)控加工程序，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效加工螺桿的有效途徑。