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數(shù)控刀具：螺旋齒刀具數(shù)控刃磨技術原理
2018-07-21
數(shù)控刀具是機械制造中用于切削加工的工具，又稱切削工具。廣義的切削工具既包括刀具，還包括磨具；同時“數(shù)控刀具”除切削用的刀片外，還包括刀桿和刀柄等附件！
在對螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進行研究的基礎上，提出了獲取螺旋線形切削刃幾何參數(shù)的方法，對刃磨螺旋齒刀具的經(jīng)濟型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的軟硬件的設計及開發(fā)實施技術進行了介紹。
1、前言
螺旋齒刀具是指切削刃為螺旋線形的切削刀具，如圓柱形銑刀、立銑刀及螺旋槽鉸刀等。這類刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件由工藝操作人員手工完成，根據(jù)火花判斷砂輪與刀齒接觸與否，憑手感掌握背吃刀量，而且一個刀齒必須一次刃磨完成。因此，對操作者要求較高，且難以保證刃磨質量，刃磨效率也不高。筆者對螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法進行了研究，并據(jù)此設計了一種小型經(jīng)濟型數(shù)控工具磨床，從而可解決未知參數(shù)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨問題。
2、數(shù)控工具磨床的傳動系統(tǒng)
數(shù)控工具磨床機械部分的傳動系統(tǒng)圖中，Y、Z軸為工作臺橫、縱向運動；X軸為磨頭升降運動；C軸為刀具(工件)旋轉運動。通過手動可以調整磨頭繞X軸轉動；砂輪及刀具的上仰、下俯；刀具變速箱在水平面內轉動。
3、控制系統(tǒng)硬件結構
控制系統(tǒng)硬件結構以單片機8031為CPU，通過其P2口的低7位和P0口外擴32KBEPROM27256存放系統(tǒng)程序，P2口的低3位和P0口外擴2KBRAM6116存放數(shù)據(jù)，P2口的高五位用于地址譯碼，用以選通LED顯示電路、接口芯片(8155、8255)、數(shù)據(jù)存儲器(6116)和鎖存器(273)，P1口接步進電動機手動控制電路，步進電動機驅動脈沖信號由P0口輸出經(jīng)鎖存器(273)送至步進電動機驅動器；8255的PA口接系統(tǒng)程序的啟動、暫停按鈕和工作方式(參數(shù)輸入方式、測量方式、對刀方式及自動方式)轉換開關，PB口用于刀具螺旋齒測量信號和其它輔助功能信號輸入，PC口用于輸出輔助功能信號；8155的PA口和PC口分別接鍵盤的行線和列線，PB口接刃磨刀具種類選擇開關。
4、螺旋齒幾何參數(shù)測量
數(shù)控刃磨時，需確定刀具軸向進給與周向進給之間的對應關系，由于生產(chǎn)中，螺旋齒刀具的螺旋角β和導程戶一般都是未知的，所以在刃磨前，需測出螺旋齒的有關參數(shù)。為此，將螺旋齒展開成一條直線。設軸向進給長度(包括磨人長度l1、刀刃長度l2及磨出長度ll)為l，則與其對應的周向進給弧長(包括磨人弧長s1、刀刃弧長s2及磨出弧長s3)為s0，為確定弧長s，可先測一段螺旋線的幾何參數(shù)，再根據(jù)相似三角形，求出弧長。
為此，刃磨前，在磨頭上裝一測量頭，測量頭的測量電路與刀具一起組成閉合回路。測量時，在測量方式下，利用手動功能，首先使測量頭與刀齒接觸，然后使刀具直線移動或轉動，測量頭相對于刀具的運動軌跡中的1或2，這時控制系統(tǒng)自動記錄下刀具直線移動步數(shù)Z1和轉動步數(shù)C1，且根據(jù)Z軸的脈沖當量將由操作面板輸入的進給長度/轉換成步進電動機轉動步數(shù)Ze，利用已測得的Z1、C1的幾何關系，求出C軸轉動步數(shù)Ce，以(Ze、Ce)為直線的終點坐標，由刀具直線移動和轉動作兩軸聯(lián)動直線插補。
為防止C向的測量超程誤差(因刀齒與測量頭之間距離不足一個脈沖當量產(chǎn)生的，該誤差小于一個脈沖當量)影響螺旋線導程精度，一方面應盡可能減小步進電動機每步刀具轉過的弧長當量δ。選用步距角較小的步進電動機，刃磨較大直徑刀具時用小的傳動比可以減小δ值。另一方面，增大Z向測量長度也可減小C向超程誤差對螺旋線導程精度的影響。
5、控制系統(tǒng)軟件
軟件采用模塊化結構，模塊的執(zhí)行取決于操作面板上的方式開關狀態(tài)。系統(tǒng)主程序在完成I/O口的設置及將各項數(shù)據(jù)存放單元清零等初始化工作后，根據(jù)方式開關的狀態(tài)，進入其中的一種，其主要的工作方式如下：
(1)參數(shù)輸入方式。根據(jù)系統(tǒng)提示符，從鍵盤依次輸入刀齒數(shù)、刀齒旋向、進給長度、刃磨余量、進給次數(shù)、進給速度、Z軸和C軸的測量下限控制值Z1min和C1min等現(xiàn)場參數(shù)。
(2)測量方式。測量程序流程利用Z軸和C軸的手動功能，使刀齒接觸測量頭，確定測量起始點。測量時，系統(tǒng)根據(jù)刀齒旋向確定刀具軸向和周向進給方向。當測量值達到或超過預置的Z1min和C1min時，按下C鍵，使刀齒轉向測量頭，兩者一經(jīng)接觸，Z向和C向鍵按下無效，避免產(chǎn)生人為超程誤差和損壞測量裝置，然后完成計算返回主程序。
(3)對刀方式。刃磨前后刀面時，首先轉動砂輪架刻度盤，使接觸點的火花與該點切線方向一致，在手動方式下調整好對刀點，這時系統(tǒng)內部自動記錄起點至對刀點的刀具移動步數(shù)Z2，然后置方式開關為對刀方式。啟動對刀程序后，系統(tǒng)首先取出內部記錄的參數(shù)Z1、C1及Z2，根據(jù)計算刀具退回起點時，刀具的轉動步數(shù)C2，最后以(Z2、C2)為起點，做直線插補，刀具退回到刃磨起點(0，0)。
(4)自動方式。自動刃磨程序流程圖中，i為刃磨每個刀齒的進給次數(shù)；n為刀齒數(shù)。
在循環(huán)中以刀齒為內循環(huán)，進給次數(shù)為外循環(huán)，即每進給一次，全部刀齒刃磨一遍，這樣刀齒受熱變形均勻，磨去的余量相同，能保證刃磨后刀齒位于同一圓周上。分度步數(shù)m帶小數(shù)時，取整，小數(shù)累加到下一次分度步數(shù)中。
6、結論
(1)采用數(shù)控循環(huán)刃磨，可減小磨削溫度對刃磨精度的影響，刃磨精度將高于手工刃磨，且質量穩(wěn)定。
(2)測量一次即可刃磨完一把刀的全部刀齒，刃磨效率及自動化程度高。
(3)批量刃磨，無需重復測量，只需選定同一裝夾基準即可，操作簡單方便。
(4)只適用于等分螺旋齒刀具的刃磨