等倾角螺旋槽的片铣刀铣削加工技术

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1 引言
在国内外关于螺旋槽或螺旋面加工的相关文献中，研究重点主要集中于回转刀具的制造和螺旋桨叶片加工等课题。由于回转刀具的母线较简单(多为圆柱型或圆锥型轮廓)，因此许多文献在讨论回转刀具外表面的等倾角螺旋槽加工问题时，主要研究了刀具制造中的刃口曲线。有的文献研究了螺旋桨叶片的加工问题，讨论了螺旋桨叶片的工作面方程及平头铣刀加工时刀位和残留高度的计算方法。还有的文献研究了自由曲面球头刀具的铣削问题。但目前很少有文献涉及任意母线回转体外表面等倾角螺旋线的加工方法和技术。
( r: U& Z! n/ Q. m目前我国正在研制的新型液体火箭发动机是原航天火箭液体发动机的换代产品。为提高冷却性能，在这种新型发动机燃烧室的内壁外表面上周向分布着数百条等倾角螺旋槽燃料冷却通道，其筋和槽的中心线轨迹为等倾角螺旋线，即在曲线上任意一点处的切线与该点母线的切线方向成定角，该类型曲线也称为斜航线，如图1所示。由于等倾角螺旋隔离筋的宽度b和槽宽c均较窄(b约为1.2mm，c最窄处约1.5mm)，槽深e较深(约45mm)，因此无法采用车削、棒铣刀铣削、电化学等加工方法，只能采用片铣刀进行铣削加工，且要求在螺旋线法平面内隔离筋的宽度应处处相等，筋的高度方向沿轮廓的法线方向，不能倾斜。燃烧室轮廓母线多为复杂曲线，或由几段不同类型的曲线连接而成，其数学模型复杂多变。若采用三轴联动加工，会使槽底和筋形发生倾斜。在具有任意母线轮廓的燃烧室内壁外表面上加工等倾角螺旋槽是我国新一代液体火箭发动机研制中一个亟待解决的难题。

图1 等倾角螺旋槽示意图
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图2 螺旋槽加工运动解析图
2 等倾角螺旋槽的五轴控制、四轴联动加工
根据等倾角螺旋线的数学模型和运动解析，为保证切削点与刀具中心的连线始终沿工件的法线方向且始终位于工件中心轴线的水平面内，必须增加一个回转轴以实时跟踪工件法线的变化，即为了保证获得正确的槽底和筋形，用片铣刀加工任意母线回转体外表面的螺旋槽时至少需要四轴联动。图2为螺旋槽加工运动解析图。

; x* N; p$ N! J2 S5 r0 b1.动力电机 2.回转轴 3，4.回转工作台 5.片铣刀 6.工件
& C# r  K' {/ K0 Q7 x图3 螺旋槽加工部件
, W1 v) ?# F7 W. f螺旋槽加工部件如图3所示。铣削动力电机1的转速通过交流变频控制，共有8档速度，用数控加工的M指令编程控制。非伺服控制的回转轴2用于调整螺旋角(参照该处的刻度指示)，并使用专用工具精确对刀。伺服电机驱动的精密数控回转工作台3在水平面内回转，用于保证切削点始终位于工件中心轴线的水平面内，并使切削点与该轴回转中心的连线沿切削点处的工件外轮廓法线方向，在机床坐标系中该回转轴定义为B轴。伺服电机驱动的精密数控回转工作台4用于完成加工中工件6的回转和分度，该回转轴在机床坐标系中定义为A轴。为保证筋宽相等，使用两片片铣刀5加工，二铣刀之间夹一个垫片，垫片厚度即为隔离筋宽度。另外三个直线轴X、Y、W轴在机床坐标系中的方向定义见图2和图3。加工中，除了对X、W轴进行轮廓轨迹插补外，还要对B轴摆动造成的坐标偏差进行补偿。Y轴用于调整切削点的高度(使该点与工件中心轴线在同一水平面内)，它与其它坐标轴无联动关系。完成任意母线回转体外表面等倾角螺旋槽的铣削加工需要进行五轴控制、四轴联动的数控切削。
为完成螺旋槽加工的数控编程，专门研制了针对上述加工运动方案的自动编程数据处理系统，通过分析螺旋槽加工的干涉误差，提出了选取片铣刀直径的简化算法。
8 {1 d  O- {% w! ^5 U* ~1 j: l3 典型工件的加工技术
/ S( U% T. M  Y5 Z某型号液体火箭发动机燃烧室内壁收—扩段如图4 所示，其轮廓母线由一段直线和一组用离散数据点描述的曲线构成。在直线段和曲线段连接处，工件直径和曲率发生急剧变化，形成一个“喉”部区域，“喉”部区域的平稳过渡加工是该工件加工的主要难点之一。
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图4 铣削方式的确定
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图5 “喉部”卡刀现象

7 w* R3 D* j* j4 u& h图6 直线—曲线顺铣时摆臂的受力
7 W5 v: P5 U  g. ]极易在“喉”部“卡刀”或“闷车”
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/ H2 M; c, `; z) h  y) M1 f4 D若使用新换刀具且进给速度较慢时(