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加工铁道锰叉、道岔专用可转位铣刀的CAD/CAM

2018-04-10 00:00530

1 引言

“七五”期间,铁道部所属山海关桥梁厂和宝鸡桥梁厂分别引进了加工铁道锰叉和道岔的专用机床,机床所用刀具是瑞典山特维克公司生产的可转位成型铣刀。由于进口刀具存在规格局限,且价格昂贵,我公司应桥梁厂要求开始研制替代产品。
图1 TBQD221-07型铣刀简图
该系列铣刀属可转位成型铣刀,设计和制造难度较大,采用传统的设计方法和加工方式很难实现。我厂以SUN图形工作站为核心,采用美国SDRC公司的I-dieas应用软件包,并与我厂从德国引进的英格索尔MAX-I型可转位铣刀的设计、编程和生产技术相结合,完成了该系列铣刀的计算机辅助设计(CAD)和辅助制造(CAM),成功地开发出了独具特色的系列可转位铣刀。
该系列铣刀采用英格索尔MAX-I型立装刀片的结构原理,刀体的加工在进口的五坐标联动数控加工中心上完成,刀片的精加工在进口的数控周边磨床上进行。该系列铣刀的各项精度指标均与进口同类刀具相同。

2 可转位铣刀的CAD

以TBQD221-07型铣刀的设计为例,铣刀简图见图1。先在计算机上画出连续光滑的刀具标准型线,型线上的曲线部分采用B样条方法设计。然后对刀具标准型线进行分段,每段曲线和直线分别由硬质合金刀片的刀刃线组成,再将各刀片在公差范围内进行搭接。如图2所示,型线的曲线部分由A、B刀片的两段刀刃线圆弧搭接而成,直线部分由刀片C、D、E搭接而成。
刀片按刀具型线排列好后,按英格索尔MAX-I型可转位铣刀的结构,有以下两种设计方法:
  • 刀片错位形成落差 根据我们长期的设计经验,推导出计算错位值X的公式为
    X=0.5{Wb+C([N2/(Wb2+C2)]-1)1/2}
    式中 Wb——刀片宽度在轴向截面上的度量值
    图2 刀刃型线搭接图
  • C——后角落差
    N——后角落差所在圆的直径
    各刀片分别按计算出的X值错位后,转到要求的位置上,再做出每个刀片相应的排屑槽、空刀孔和螺钉孔,即完成了该铣刀的设计。
  • 直接转后角 刀片排列好后,不进行错位,而是直接绕刀片的切削刃转一个后角。本系列可转位铣刀就采用了这种设计方法,该方法的优点是型线准确。

可转位铣刀的CAM

该铣刀的NC编程及加工步骤如下:
  1. 二次几何造型
  2. 用CAD系统进行铣刀实体造型时,主要是从设计角度考虑,要求造型时各部分必须满足设计要求。而加工时则要考虑到有足够的进刀和退刀空间及其它加工工艺性要求,所以此时有一个二次几何造型问题,即需要将刀片、排屑槽模型根据加工情况适当放大,由于它们的形状决定了走刀轨迹,所以还需要对其进行适当的修改和简化,剔除与加工信息无关的几何元素,由于圆弧形刀片和直刀片的侧面和底面均成90°,所以编程时刀片只需保留一个加工底面,再补充排屑槽、空刀、螺钉孔等相关的加工信息,最后组成一个NC加工模型。
  3. 进入NC-SETUP模块
  4. 由于该铣刀采用空间五坐标曲面加工方式,因此要将经二次几何造型整理好的被加工面用Surface选中,最后生成一个GNC格式的作业文件(TBQD-* * *.JB)。
  5. 确定加工工艺
  6. 首先划分加工工序,该铣刀一次装夹可完成全部加工过程,可划分为9道工序,包括铣空刀,排屑槽、刀片槽的粗铣、半精铣、精铣,螺钉孔的定中心、钻孔、攻丝等。然后选择加工机床(MAHO 800C或BOHLE)并编制工艺规程,包括选择刀具、切削用量、加工余量、加工路线等。最后将选用的刀具及切削用量按GNC格式TOOL/……写入作业文件TBQD-* * *.JB中。
  7. 进入GNC,调入JBQD-* * *.JB文件
  8. 进入GNC,将TBDQ-* * *.JB文件调入,先进行必要的几何分类及视图安排,然后编制加工程序Sequence。编程过程中应注意以下问题:①被加工面的法向有时是相反的,需要调过来;②边界是有方向的,Kcurve应根据加工要求确定。五坐标曲面加工方式常用的命令有:
    • Partsurf
    • Guv
    • Multaxis
    • Taxis
    • Goto
    等。
  9. Sequence加工程序编制好后,用File结束Sequence作业,用Finish结束Job作业,并同时生成刀位文件TBQD-* * *.CL。
  10. 进行后处理
    图3 TAQ211-07铣刀的程序编制流程图
  11. 选择所用机床的专用后处理程序,输入夹具的标准N值及程序号,则可开始对刀位文件的后处理过程,并同时生成加工程序TBQD-* * *.TP,即机床加工用的目标文件,对此目标文件还需作进一步编程工作,以解决在Sequence中编制加工路线或工艺时的遗留问题,以避免实际加工时增加不必要的辅助时间。最后还需要编辑出一个刀表文件,以备操作者调刀时使用。
  12. 试加工
  13. 将编辑好的加工程序输入机床进行首件试加工,先加工一组刀片,然后用投影仪检测刀片搭接的型线,若型线与绘制的放大图相符,说明程序正确,工件装夹后即可一次完成加工。如试加工不能达到预期目标,简单的问题可通过手工调整,如存在原则性的或复杂的问题,则需要回到GNC的Sequence中重新进行修改,直至正确为止。
图3为TAQD211-07铣刀的程序编制流程图。

4 可转位铣刀的结构特点

该铣刀的刀片采用立装结构,刀片的定位紧固只需一只螺钉,因此结构简单可靠,刀片转位方便、迅速。刀片采用切向安装方式,承受切向力的截面大,从而可采用大进给量、大切削深度和较高的机床功率。由于磨损区域较宽,刀片不易磨损和崩刃,排屑槽可增大,排屑流畅,刀片更换迅速准确。为了避免相邻刀片(或刀槽)在空间发生重叠或干涉,每组刀片在刀体圆周方向上必须排开分布,这样既可减小铣削时的最大切削力及切削力波动,又可使各刀片的切削力负荷基本趋于均匀。
加工铁道锰叉、道岔专用可转位铣刀由哈尔滨第一工具厂英格索尔数控分厂于1991年研制投产后,经宝鸡桥梁厂和山海关桥梁厂使用,加工效果与进口刀具完全相同,且在价格上具有绝对优势,所以基本取代了进口刀具。目前我厂已能批量化生产该系统可转位铣刀(包括TBQD221-01、02、06、07、08、09、10、12、13、14等)。
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