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摘要：刀具棒料装夹偏差是影响刀具磨削精度不可忽视的重要因素。本文基于在机测量探测刀具棒料上各采样点位置的装夹偏差,建立了理论刀具刃线上点的偏差估算方法,在实际磨削加工时,将偏差值反向补偿至磨削轨迹,从而减小刀具的装夹偏差对刀具磨削精度的影响。通过试验磨削四刃平底刀和双刃球刀,在棒料装夹偏差较大的情况下,采用补偿的方式能够提高刀具外形磨削精度。 关键词：立铣刀;装夹偏差;在机测量;磨削补偿 1 引言[size=1em]数控铣削加工中,刀具外形的轮廓精度直接影响加工产品的尺寸精度。学者们从不同角度研究提升刀具的性能和制造精度的方法。Liu Xianli等[1]通过分析影响砂轮磨损的边界接触条件和磨削试验,建立了刀具螺旋槽磨削补偿算法。马玉豪等[2]基于砂轮磨损参数,研究了立铣刀后刀面磨削时砂轮磨损状态下磨削轨迹补偿坐标计算方法。孙晓军等[3]基于五轴数控磨床的球头立铣刀后刀面加工算法,计算刀具磨削的NC代码并仿真,检验刀具磨削轨迹算法的有效性。吕颖等[4]基于球头立铣刀刃形曲线,计算前刀面和后刀面的砂轮刀位轨迹,建立了“S”刃形球刀立铣刀的磨削成型理论方法。张潇然[5]以圆弧头立铣刀为对象,研究端齿部分的刀刃曲线数学模型和磨削工艺算法模型,并采用仿真和实际加工进行了验证。王磊等[6]针对硬质零件数控磨削加工,研究了一种基于在线检测技术对砂轮磨损进行补偿的方法。林军[7]研究分析了三种棒料夹持结构对整体硬质合金直柄立铣刀刀刃径向跳动的影响。 [size=1em]上述研究主要是从刀具结构设计、砂轮磨损补偿、磨削算法优化等方面来改进磨削工艺和磨削轨迹精度,提升刀具外形精度。而刀具毛坯装夹误差也是影响刀具磨削精度不可忽视的重要因素。随着五轴数控工具磨床在机测量技术的发展,在机测量技术在刀具的磨削加工中也逐渐得到应用[8]。本文基于数控工具磨床的在机测量技术,提出了一种针对整体式圆柄立铣刀磨削加工中刀具毛坯装夹误差的补偿方法,能够有效地提高立铣刀周刃的外形磨削精度。 2 刀具毛坯的装夹误差[size=1em]整体式立铣刀的磨制生产过程如下:①根据刀具产品的长度及直径,使用专业外圆磨床制造精密的棒料毛坯;②将棒料毛坯装夹在五轴数控工具磨床上,使用砂轮磨削加工成型。通常棒料毛坯的外圆磨削生产工艺相对简单,棒料磨制可以达到较高的精度,圆跳误差可控制在1μm内,因此,棒料的误差对刀具成品的影响可控。然而,棒料毛坯在装夹到工具磨床上时,其轴线与机床回转轴存在偏差(见图1),实际测量刀具毛坯相对于机床回转轴的圆跳误差可能会达到10μm以上,严重影响刀具磨制精度。因此,在刀具生产过程中需要使用高精密的夹持结构以及调节装置来保证刀具装夹后的圆跳误差可控。但即便使用了高精密的夹持机构,在刀具的批量生产中,因机床部件制造误差、装夹面的磨损、毛坯表面附着的油污及杂质等原因,刀具装夹精度会逐渐降低。由于整体圆柄立铣刀的结构设计基准、磨削加工轨迹计算基准以及外形精度测量基准均为刀具的中心轴线。刀具磨削加工时,当装夹后刀杆毛坯自身轴线偏离于磨床旋转部件的回转轴线后,刀具的制造精度降低。 [size=0.8em](a)工具磨床棒料装夹方式
[size=0.8em](b)棒料偏离理论回转中心
图1 棒料装夹偏差
[size=1em]如果在加工过程中能够测量出每个磨削轨迹点处刀杆毛坯相对于理论位置点的偏差,并将偏差反向补偿至磨削轨迹点,保证以刀杆的实际回转轴线作为磨削加工基准,刀具磨削精度就能提高。 3 刀杆装夹回转偏差在机检测3.1 在机检测装置[size=1em]采用在机检测的方法检测刀杆上不同位置点的回转偏差值。在机检测装置由安装在工具磨床主轴上的接触式测头和数控系统控制程序组成,其中,测头部分一般采用高硬度的红宝石或陶瓷材料做的高精度标准件。检测指定理论点P的偏差时,测头沿指定方向N运动(见图2),与刀杆触碰瞬间,测头内置传感器向数控系统发送信号,数控系统基于探测方向及当前机床坐标可以返回当前测头触点位置PT的坐标值,从而可以计算实际点与理论点的偏差。探测装置使用圆柱形探针探测时,机床旋转部件将探测位置转动到至最高点,再利用测头沿法向进行探测。
3.2 刀具棒料装夹偏差检测方法[size=1em]刀具切削刃的刃线分布在各个方向,基于刀具棒料的理论曲面模型检测刀具棒料在各个方位的偏差。 [size=1em]假设刀具棒料的母线方程为R(u),棒料曲面P(u,α)可以表示为u和α的双参数曲面,有 [size=1em]
0≤u≤l,0≤α≤2π [size=1em]式中,l为棒料长度。 [size=1em]在刀具毛坯回转面上,沿圆周方向和轴线方向分布测量点,测量点类似网格状分布。在母线方向按照曲面参数u均匀分布M层(见图3),圆周方向按照曲面参数α均匀布点C个,点Pi,j的坐标可以表示为
[size=1em]刀具棒料装夹到机床上后,基于理论点Pi,j,沿曲面法矢方向执行探测程序,对应探测到的点为Qi,j。其中,曲面的法矢方向N(ui,αj)可以通过曲面在点Pi,j位置的α向的一阶导矢Tα(ui,αj)与u向一阶导矢Tu(ui,αj)叉乘计算获得,有
[size=1em]N(ui,αj)=Tα(ui,αj)×Tu(ui,αj) [size=1em]通过探测到的点集Qi,j(1≤i≤M,1≤j≤C)评估刀具棒料沿轴线方向每一层的装夹误差。 [size=1em]点集Qi,j相对于旋转轴线的半径Ri,j为
[size=1em]将在第i层的最大半径记作Ri,max,最小半径记作Ri,min,取最大半径值和最小半径值的平均值Ri,avg作为基准值,在点Pi,j处棒料装夹的偏差值δi,j为 [size=1em]δi,j=Ri,j-Ri,avg,1≤j≤C
4 偏差补偿方法[size=1em]基于采样点测量刀具毛坯的装夹误差,获得毛坯曲面采样点处的偏差值。实际加工刀具的刃线并不完全分布在毛坯曲面以及在采样点上,需要建立刀具刃线与毛坯曲面偏差的映射关系,从而计算刃线的偏差,并在磨削加工过程中进行补偿。 [size=1em]假设,E(v)为磨削刀具周刃的母线方程,F(v)为刃线方程,有
[size=1em]式中,β(v)表示刀具刃线的圆周相位角随参数v的函数。 [size=1em]在刃线每个点F(vk)处,使用临近的4个探测点Pm,n(um,αn),Pm,n+1(um,αn+1),Pm+1,n(um+1,αn),Pm+1,n+1(um+1,αn+1)对应的偏差δm,n,δm,n+1,δm+1,n,δm+1,n+1来评估点F(vk)的偏差值εk(见图4)。 [size=0.8em]图4 刀具刃线的点偏差计算方法
[size=1em]临近点选取满足以下条件
[size=1em]式中,考虑到圆周方向的周期性问题,当n=C时,令αn+1=2π+α1。 [size=1em]采用基于毛坯曲面参数对偏差量εk进行线性插值计算,有
[size=1em]式中, [size=1em]在磨削加工刀具刃线位置点F(vk)时,将砂轮的位置坐标点wk沿棒料的理论径向Nk偏置εk,从而使砂轮移动至加工目标点,实现加工补偿,有
5 刀具磨削试验[size=1em]使用自研五轴联动数控磨刀机验证本文提出的刀具装夹偏差补偿方法,该机床配置了在机测量系统,具备自动上下料机构(见图5)。试验加工四刃平底刀和双刃球刀两种类型的刀具,刀具毛坯均为D6mm的圆柱形棒料(见图6)。平底刀直径6mm,螺旋角30°;球头铣刀的圆角半径3mm,螺旋角30°。在毛坯装夹误差相对较大的情况下,对比无补偿和有补偿情况下刀具的刃带宽度和外形轮廓加工精度(见表1和表2)。
[size=0.8em](b)自动上下料
图5 五轴联动磨刀机
[size=0.8em](b)双刃球头铣刀
图6 试验加工用刀具
[size=0.8em]表1 平底刀磨削测试(采用投影仪测量)
[size=0.8em]表2 球头铣刀磨削测试(激光对刀仪测量)
[size=1em]从表1可知,在装夹偏差较大的情况下,1号平底刀采用无补偿方式磨削时每齿刃带宽度不同,且刀尖与螺旋槽尾部处的刃带宽度最大差值为0.05mm。2号、3号、4号平底刀,使用补偿方式进行磨削加工,每齿刃带宽度差值减小,且刀尖与螺旋槽尾部处的刃带宽度更均匀,最大差值为0.02mm。 [size=1em]从表2可知,在装夹偏差较大的情况下,1号无补偿加工的球头铣刀半径误差为6.4μm,轮廓度为5.7μm;2号、3号、4号球头铣刀使用补偿方式加工后的半径误差小于4μm,轮廓极差小于3.2μm,采用补偿方式加工后,球头铣刀半径尺寸精度和轮廓精度均有明显提升。 6 结语[size=1em]针对刀具磨削加工中刀具棒料装夹偏差影响刀具磨削加工精度的问题,提出了一种在刀具磨削中补偿刀具棒料装夹偏差的方法,可以减小棒料装夹偏差对刀具磨削精度的影响,从而在刀具批量加工中提高立铣刀的尺寸精度。 [size=1em]参考文献 [size=1em][1]Liu Xianli,Chen Zhan,Ji Wei,et al .A compensation method for wheel wear in solid cutting tool groove grinding based on iteration algorithm[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2020,107(5-6):1-11. [size=1em][2]马玉豪,宁样城,丁国富,等.基于砂轮磨损参数的立铣刀后刀面磨削轨迹补偿算法[J].工具技术,2021,55(3):47-51. [size=1em][3]孙晓军,唐飞,王晓浩.基于五轴数控磨床的球头立铣刀后刀面加工算法的研究[J].机械工程师,2013,262(4):11-12. [size=1em][4]吕颖,姚斌,陈站等.“S”形刃球头立铣刀的磨削成形刀位轨迹研究[J].工具技术,2015,49(10):24-27. [size=1em][5]张潇然.圆弧头立铣刀端齿前后刀面的磨削工艺研究[D].成都:西南交通大学,2019. [size=1em][6]王磊,黄志伟.基于在线检测技术的砂轮磨损补偿方法研究[J].制造业自动化,2010,32(1):35,76. [size=1em][7]林军.棒料夹持结构对整体硬质合金直柄立铣刀刀刃径向跳动的影响分析[J].机械研究与应用,2022,35(5):39-44. [size=1em][8]赵锐.五轴工具磨床立铣刀在机测量系统研发[D].成都:西南交通大学,2019.
Grinding Compensation of Rod Clamping Error Based on End Mill Grinding[size=1em]Yang Runqiang,Gao Dongdong,Tang Wenli [size=1em]Abstract：Clamping error of tool bar is an important factor which affects the dimensional precision of tool in grinding process.In this paper,the clamping error of each sampling point on the tool bar is detected by on-machine measurement system,and the error estimation method of the point on the theoretical tool edge curve is researched.In the actual grinding process,the rod clamping error is inversely compensated to the grinding trajectory,thereby reducing the influence of the rod clamping errors on the tool dimensional precision.By the experiment of grinding four-edged flat end tool and double-edged ball end tool,in the case of large clamping error of tool bar,the tool dimensional precision can be improved by compensation. [size=1em]Keywords：end mill;clamping error;on-machine measurement;grinding compensation
[size=1em]中图分类号：TG714;TH117 [size=1em]文献标志码：A [size=1em]DOI：10.3969/j.issn.1000-7008.2024.07.027 [size=1em]基金项目：陕西省重点研发计划(2021GY-301) [size=1em]收稿日期：2023年6月 [size=1em]第一作者：杨润强,工程师,西安精雕精密机械工程有限公司,710000 西安市 [size=1em]First Author：Yang Runqiang,Engineer,Xi′an Jingdiao Precision Mechanical Engineering Co.,Ltd.,Xi′an 710000,China
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