加工中心中球面加工的刀具路径优化

加工中心中球面加工的刀具路径优化

1.李爱芹,2.官文东

1.青岛中车四方轨道车辆有限公司  山东省青岛市  266000

2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市  266000

摘要：我国工业化进程不断被推进，制造行业得到了极大的发展机遇，但是此种生产现状对于机械产品提出了更高水平的要求，由于所生产的产品更新速度极快，对于加工中心来说，刀具是影响工件加工质量的核心因素，所以加工中心实际开展工件加工之前，必须根据所需要加工的零部件外部轮廓，选择适合的刀具种类以及运行轨迹，避免实际加工轮廓与预期出现明显的出入。本文首先详细分析了加工中心中球面加工的基础概论，同时结合球面加工技术要点以及刀具选择需求，有效总结加工中心中球面加工的刀具路径优化方案。

关键词：球面加工；刀具路径；刀具选择；加工特点

工业化的不断发展，对于加工设备的要求和功能性也随之增加，并且加工到重点也从数量转变为质量，加上球面工件自身所具有的结构特点，在实际加工过程中，加工时间以及刀具选择成为影响其加工效果的基础条件，为了保证球面加工质量，技术人员需要结合其表面加工需求，针对所使用的刀具加工路线进行优化和完善。

一、加工中心中球面加工概论

（一）刀具选择

在加工中心中，球面的常规加工方法主要包含车削和铣削两种，其中铣削加工方式所需有的效率相对较低，并且加工精度和表面粗糙度不高，因此对于加工精度要求较高的零部件，通常不使用此种加工方法，相比之下，使用车削加工技术的效率更高，并且球面的加工精度以及表面粗糙度同样能够有效掌握，因此从本质上来看，该技术是一种理想的球面加工方法，不仅无需特殊的加工设备，而且所加工的球面质量普遍符合标准要求。

用加工中心进行车削加工，加工质量受到机床设备的精准程度，数控系统以及刀具选择等外界因素的影响，其中常见加工中心的球面加工刀具为圆弧形刀具，则是当圆弧形刀具安装在机床中轴线以外角度，同时零部件在刀具下方不断旋转时会形成球面，此时加工刀具的倾斜角度则代表着球面直径；如果使用单点切削道具，则需要根据球面加工特点选择凹面或者凸面，如果加工成凸面，那么刀具刀刃则需要面向内；如果加工成凹面，刀具刀刃则反之，此种加工方式的原理则是当刀具进入球面加工区域时，旋转设备会旋转360°，此时转台轴向靠近刀具，以此形成球面[1]。

如果球面加工精度要求较高，如果操作人员技术水平高，则可以使圆弧刀具加工整个球面；如果加工中心操作技术人员的水平比较普通，则建议使用成品道具进行球面加工，此保证球面加工质量。

（二）刀具路线

通常情况下，水平方向的球面要利用同心圆加工原理实现刀具加工，所以在进到控制方式上主要使用从上到下以及从下到上等两种进刀方式，针对刀具使用特点，一般使用从下到上的进刀方式完成球面加工；为保证球面加工效果，主要使用铣刀的确认进行切削，保证加工质量的同时对于刀刃尖端的磨损较小，此种加工方式所产生的切削力会将刀具向欠切的方向推动，有利于控制球面加工尺寸数据。

（三）刀具轨迹计算

如果使用立铣刀进行球面加工，那么球面的曲面加工要使用刀尖进行完成，这是因为当刀具的刀尖沿着球面做圆弧运动时，刀具中心的运动轨迹同样形成一定直径的圆弧，其主要区别则是刀具与刀尖的位置相差一个刀具的半径。使用球头刀进行加工时，球面的曲面加工主要依靠球刃完成，主要原因则是由于使用此种刀具时，刀具的中心成为球面的同心球面。而其半径相差一个刀具半径。

二、加工中心中球面加工要点

在球面加工过程中，加工中心是一项相对精密的加工系统，所以球面加工时，即使数据随时调整，同样需要仔细观察球面加工实际情况，一旦出现问题则需及时停止，避免产生错误；加工中心进行球面加工时，需要格外关注刀具型号的选择，并且详细判断球面毛坯的外部形态，而在精加工时，同样不能随意改变加工尺寸；在球面加工时需要注意根据球面加工情况及时更换刀具，否则会破坏加工效果，并且工作人员要时刻注意刀具是否远离毛坯，这是因为虽然球面加工主要由系统程序所控制，但是编写程序时一旦操作不当，同样会出现加工问题，比如加工坐标是否准确，加工位置是否固定等[2]。

同时加工中心实际运转过程中，操作人员加工球面时还需时刻关注刀具是否出现偏离问题，由于球面零部件经过初加工后，表面比较平滑，所以极易造成刀具脱落，因此技术人员要时刻关注加工工件是否按照预先设定的轨迹进行切割，从根本上保证球面加工效果。

三、加工中心中球面加工刀具路径优化

（一）加工方法

1.逐层加工法

加工中心中球面加工方式具有显著的特点，其中逐层加工法主要利用应用程序提前设置循环驱动加工刀具，并且在相同平面使用铣削圆台作为固定区域，当刀具加工时，加工零部件的上下方向不变，刀具向左右方向不断切削，刀具加工完成后，刀具会停止运动，随后向上下方向进行插补，等待所有方向达到数值后进行第二次循环，直至所有循环流程全部完成，代表着球面加工完成。

2.螺旋插补法

螺旋插补法主要指的是在整个刀具加工和切削过程中，无论是下刀位置还是终点位置，刀具始终沿着某一条特定的螺旋线上升或者下降，以此完成加工和插补，使用此种加工方法，无论是加工方向和差谱方向都随着刀具的移动变化而变化。

（二）加工路径优化策略

1.逐层加工法

由于逐层加工法在使用过程中，上下方向固定刀具沿着左右方向不断移动，刀具移动到指定位置后，随后沿着上下方向移动，以此完成一个加工循环，不断重复以上步骤，直至整个球面加工完成[3]。此种加工方式在实际操作过程中上下方向的运动始终属于独立且不连续的，导致一个阶层完成后会由于上下方向移动反应的迟钝突然加速，此时设备会出现明显的颤抖，长此以往，不仅会影响工件加工精准程度严重，甚至会损坏刀具。

详细分析以上问题，主要由于加工中心的刀具运动方向无法协调，为了解决这一问题，技术人员将使用圆弧切入切出法进行球面加工，经过一系列实践操作，进而证明使用圆弧切入切出法后，球面零部件加工质量产生明显的提升，尤其是由于上下移动所造成的过切问题得到了有效完善和解决。

2.螺旋插补法

鉴于螺旋插补法的技术原理，针对该技术进行创新和优化时，需要保证刀具能够从球体下端沿着既定的运动道路和轨线缓缓提高，并且在上升过程中确保设备始终能够按照三个方向同时运动，相互协调，完美结合。经过一系列实践证明，螺旋插补加工方法经过完善和改良后，及加工流程十分流畅，并且加工效果明显，尤其是对于球面工件表面的粗糙度有了极大的提升。同时螺旋插补加工方式在实际操作中所需要的系统程序结构简单，加工流程精简，极易编写和更改，而此种程序编写特点决定了设备在运行过程中无需大量的缓冲时间，极大的提升了加工的流畅性，加快加工速度，提升加工效率。除此之外，此种加工方法能够完全符合工业生产的核心要求。并且这种改进思路完全符合机械加工领域的发展方向。

结束语：

由此可见，通过一系列实践操作进一步证明，科学合理的安排加工流程，设定刀具加工路线对于球面加工来说具有重要作用和现实意义，不仅能够提高加工效率，同时还可以增加工件加工的精度以及便利性，针对此种现状，技术人员需结合球面加工特点，对不同类型的刀具进行综合分析，从而有效制定出一系列刀具路径优化方案。

参考文献：

[1]陈曦,戴卓成,郭培基,王伟.五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究[J].光学技术,2022,48(01):55-59.

[2]李洪.一种利用车铣复合加工中心进行球面加工的方法[J].金属加工(冷加工),2021(03):71-73.

[3]刘军汉,熊长新,曲天良,车驰骋.半球谐振子外球面加工原理误差分析及实验研究[J].光学技术,2022,48(03):295-300.