一种球头铣刀接刀痕迹的高效消除方法与流程

本发明涉及一种球头铣刀的加工，更具体地说，涉及球头铣刀的加工。

背景技术：

在当代制造业的快速发展中，切削加工在推动制造业技术进步和提高企业加工效率、降低制造成本等方面发挥着重要的作用。其中，球头铣刀作为一种复杂型面零部件加工的高效刀具，被广泛用于航空、汽车、船舶制造等多种行业，其性能和品质的优劣对于切削加工的精度、效率和产品品质都有着直接而重要的影响。

球头铣刀属于模具铣刀，由球头和圆柱(圆锥)两部分组成，以二刃球头铣刀为例，图1和图2分别为2刃球头铣刀结构的主视图和左视图，球头部分包括s形球刃1、球刃前刀面2和球刃后刀面3，圆柱(圆锥)部分包括螺旋形周刃4、周刃前刀面5和周刃后刀面6，其中球刃后刀面3和周刃后刀面6均设有两个。球刃第一后刀面31和球刃第二后刀面32，周刃第一后刀面61和周刃第二后刀面62。在球头铣刀的设计和制造中，后刀面的加工质量对刀具切削性能、加工质量起着重要作用，而球刃后刀面3与周刃后刀面6是否光滑连接，是决定刀具表面质量的一项重要因素。

在实际磨削过程中，球刃后刀面和周刃后刀面的交接部位(即球刃后刀面结束位置和周刃后刀面起始位置，图1中粗线a标记的位置)恰处于机床部分轴加速度变化位置，易产生不光滑的接刀痕迹，此外，磨床本身精度和砂轮等相关数据的测量误差等问题也会加剧接刀痕迹的误差。

球头铣刀后刀面的加工分为球刃后刀面3和周刃后刀面6两部分，现有技术的磨削方案：将球刃后刀面和周刃后刀面作为一道完整工序进行连续磨削，且磨削轨迹无特殊处理，将该方法简称为后刀面联磨。

后刀面联磨，是指将球刃后刀面和周刃后刀面作为一道完整的工序，从球头刀尖开始，逐步向刀体尾部推进，并将球刃终点轨迹作为周刃起点轨迹，保证球刃与周刃交接处无过渡，一刀下去完成整个后刀面的加工，理论上计算轨迹是平滑的。但实际加工过程中由于机械和电气控制等原因，往往实际执行的轨迹在球刃和周刃交接处并不平滑，导致在球刃与周刃后刀面的交接位置产生接刀痕迹，刀具表面不够规整，直接影响刀具成品率。图3所示是联磨工序完整的加工过程，从球刃到周刃一刀下去，完成整个后刀面的切削，该工序完成后，砂轮抬起退刀，最后将刀具回拉至安全位置。

技术实现要素：

本发明在保证效率的前提下，解决在球头铣刀磨削过程中，由于机床动态性能、机床几何精度、机床定位误差以及砂轮参数测量不准等原因，引起的球头铣刀的球刃后刀面与周刃后刀面交接处不够平滑问题。本发明基于对于刀具加工理念和机床动态特性等方面的深入研究，从根本上解决了球头铣刀的接刀痕问题，并确保该方案对于加工效率没有影响。

为了达到上述目的，本发明提供了一种球头铣刀接刀痕迹的高效消除方法，砂轮加工球头铣刀过程中，在砂轮加工到球刃后刀面和周刃后刀面的交接部位时，砂轮沿所在位置后刀面的法向平滑退出，直至砂轮完全脱离，之后，砂轮再沿着周刃后刀面切向进刀，完成加工。

优选方式下，所述砂轮完全脱离之后，砂轮空走1～5mm距离，之后砂轮再进刀。

在实际加工中，存在接刀痕迹偏离球刃后刀面和周刃后刀面的交接部位的情况，为此，本发明一种球头铣刀接刀痕迹的高效消除方法，在砂轮加工到接刀痕迹出现位置前，为去掉接刀痕迹，砂轮需要在球头后刀面上某一磨削点开始作离去动作，为此，提供离去角度参数控制砂轮在球刃后刀面上作离去动作的起始磨削点，此磨削点到球刃终点之间的每个磨削点，砂轮都要在原始计算数据基础上沿球刃后刀面的法向平移一个距离δh，

δh＝r/cos[γ-(90°-θ)]-r

其中，r为球刃后刀面的球半径，

θ为砂轮沿所在位置径向与铣刀中心轴正方向的夹角；

γ角为离去角度，理论取值范围为0～90度，实际应用中，当接刀痕迹恰好位于球刃与周刃交接位置时，离去角度取0即可，当接刀痕略偏离球刃与周刃交接位置时，因偏离位置不会太远，离去角度一般取1度左右(大于0小于2度)。

本发明的技术方案考虑到联磨方案的优缺点，采用在联磨过程中，完成球刃后刀面磨削后，加入退刀等工艺动作和相关参数，使得砂轮在交接处平滑拉出，通过砂轮和刀具的短暂脱离接触来避免机床震动等误差。

附图说明

图1是现有技术二刃球头铣刀的主视图。

图2是现有技术二刃球头铣刀的正视图。

图3是现有技术球头周刃连磨过程。

图4是本发明磨削过程。

图5是本发明与现有技术加工效果对比图。

图6是三维坐标系下的球头s形刃线。

图7是变换到二维平面上的s形刃线。

具体实施方式

本发明涉及一种高效消除球头铣刀磨削过程中由于机械误差和测量误差等不利因素引起的球刃后刀面与周刃后刀面交接处接刀痕迹的方法，本方法在基本不影响加工效率的情况下解决了接刀痕迹问题。本发明加工过程如图4所示，与图3相比，仅仅是在联磨过程中加了一个退刀动作，由于该动作是在联磨过程中完成，对加工效率并没有很大的影响。

具体实现如图4下：在后刀面联磨工序内，添加退刀操作，控制砂轮加工到球刃后刀面的交接位置时，将砂轮沿交接磨削点(球刃的终点和周刃的起点)处后刀面的法向(垂直于后刀面方向)平滑拉出，直至砂轮完全脱离毛坯为止，该拉出过程没有突变，不会产生额外的痕迹。砂轮在空走一段退刀距离后，再快速进刀，进刀方向沿着周刃起始磨削点处的后刀面切向(后刀面切削方向)进刀，开始周刃后刀面的加工。

实际加工表明，该方案确实可以有效解决球头铣刀后刀面的接刀痕迹问题。如图5所示的对比图，对比点在圆圈内标注。右侧刀具为未采用接刀痕迹去除算法的加工效果，在球刃和周刃交接位置有肉眼可见的接刀痕迹，该刀具明显为不合格刀具。左侧刀具为同一台机床，采用了本发明方案的加工效果，除了采用本发明方案外，其他加工参数与右侧刀具完全一致。对比显示，本方案确实可以解决接刀痕迹问题。

本发明采用的方案，砂轮走到球刃和周刃交接位置，沿球刃后刀面法向将砂轮拉出，即砂轮抬起退刀，把换向等动作造成的加工不平滑留在了毛坯位置上，之后砂轮迅速执行进刀动作，当砂轮继续周刃后刀面的加工时，通过添加外径减少量参数，使得用户可以在小范围内单独调整周刃部分半径，以保证砂轮运行轨迹在进行周刃部分加工时，可以将多余的毛坯平推掉，并于之前的球头部分磨削轨迹相切，从而保证了加工质量。

此外，考虑到接刀痕可能存在小范围偏离球刃与周刃交接位置的情况，我们提供了离去角度参数，用于控制砂轮在球刃后刀面的拉出位置。球头铣刀的s形刃线是一条球面曲线，因此球刃上每一点均满足球面方程，如图6所示，建立直角坐标系o-xyz,z轴与球头铣刀的轴线重合，原点在球心，在该坐标系下，半球面的方程表示为

式中：r为球头半径，θ为球面上一点m的径矢与z轴正方向的夹角，为y轴正方向与在xoy平面上的射影矢量所成的有向角。图6中的s形曲线为球刃的s线，将s线上每一点绕z轴旋转角变换到yoz平面。如图7所示，按θ角划分，s线的取值范围为0°到90°，每一个θ角对应于s线上唯一一个磨削点，其中θ取0°时对应于s线起点，即球头中心处磨削点(图7中的点1)，θ角取90°时对应于s线终点，即球刃与周刃交接处磨削点(图7中的点4)。图6中γ角为离去角度，取值范围为0°到90°，当离去角度为0°时，表示球刃终点位置，即与周刃交接位置，当离去角度为90°时，表示球刃起点位置，即刀尖位置。离去角度用于确定s线上作离去动作的起始磨削点(图7中的点3)，此磨削点到球刃终点之间的每个磨削点(图7中的点4表示点3和点2之间的任意磨削点)，砂轮都要在原始计算数据基础上沿球刃后刀面的法向平移一个距离δh，计算公式为δh＝r/cos[γ-(90°-θ)]-r，以此保证砂轮可以在球刃后刀面的任意位置平滑退出。实际加工应用中，接刀痕迹多位于球刃和周刃的交接位置，离去角度一般给0°，若接刀痕迹略偏离交接位置，即痕迹位于球刃后刀面上，根据实际情况给较小的离去角度(一般小于1°)控制砂轮在球刃后刀面上某个位置开始平滑退出，加工完球刃后刀面后，继续执行退刀、进刀等动作，开始周刃后刀面的加工。

本发明方案可在已有的球头铣刀后刀面轨迹计算的基础上实现。可以通过刀具磨削软件算法实现球头铣刀球头后刀面加工轨迹计算以及理论上与之平滑交接的周刃后刀面轨迹计算功能。

根据需要，针对不同规格的球头铣刀，可以开放相应接口，保证用户可以选择是否需要接刀痕迹平滑过渡功能。如需要进行接刀痕迹平滑，设计软件开放平滑功能相关的参数，根据用户的输入，自动插入计算步骤，如：首先，根据给定的离去角度、退刀距离参数，计算砂轮在球刃后刀面磨削完成后的退刀位置和距离，并生成相应轨迹；其次，根据进刀距离，重新计算周刃后刀面的磨削开始位置以及相应轨迹。为保证周刃后刀面的加工效果，磨削轨迹需要在砂轮与刀具毛坯实际接触前就进入加工轨迹运行过程，以进一步减少机床运行的轨迹变化引起的表面质量降低。

为了配合该功能的实现，可以提供相应的参数输入接口供用户进行细节调整，提供诸如球刃终点处退刀距离、周刃起点处进刀距离等功能。为了加强平滑过渡效果，还可以额外提供了刀具周刃后角的外径调节功能。

实际使用过程中，在保证安全的前提下，退刀距离和进刀距离可以合理设置较小的数值，通常可以为毫米级甚至更低。相对于将球刃后刀面和周刃后刀面加工分成两个工序而进行安全确认造成的大量空走刀而言，本方案的空走刀行程几乎可以忽略不计。由于是空走刀，走刀速度可以较正常磨削加工时快，故本方案与不考虑交接过渡的理想加工过程比较，耗时差异几乎无法察觉。通过实际长时间的加工验证表明，加工一把球头铣刀通常需要数分钟，而本发明引起的延时通常为1秒之内，该耗时完全被淹没在由于油压波动等外部信号等待的时间波动之中。实际的长期批量加工过程中，未发现开启或关闭该功能造成的加工效率波动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。