專利名稱：一種曲面恒切向數(shù)控精密車削方法及其車削刀架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械制造技術(shù)及裝置領(lǐng)域，具體涉及一種曲面恒切向數(shù)控精密車削方法及其車削刀架。
2.背景技術(shù)普通數(shù)控車床車削曲面工件過程中，刀具在被加工的工件上平動運動，刀具刀尖與工件表面的接觸點在不斷的變化，導(dǎo)致了切削角度參數(shù)也在不斷變化，處于非優(yōu)化的狀況下，刀具刀尖的形狀誤差直接影響所加工曲面的精度，使曲面加工的精度受到影響。
在實際加工過程中，為了利于切削，常需要較小的刀尖半徑。刃磨具有準(zhǔn)確刀尖形狀和小半徑值數(shù)控車削刀具，難度大，成本高。數(shù)學(xué)計算與工程實驗表明，車削刀具刀尖輪廓刃磨的形狀誤差與工件輪廓誤差的關(guān)系約為1∶1，刀尖圓半徑的測量誤差與工件輪廓誤差的關(guān)系約為1∶0.414。例如若刀具刀尖圓半徑理論值為0.2mm，在人工磨削時造成刀具刀尖輪廓的形狀誤差為0.02mm，則加工工件時將大約產(chǎn)生0.02mm的工件輪廓誤差；若測量此刀具刀尖半徑時產(chǎn)生了0.02mm的測量誤差，在加工時用此實際測量值作為刀尖半徑補償量，則數(shù)控車削曲面工件成形后約產(chǎn)生0.0083mm的輪廓誤差，這對精密、超精密加工是極為不利的。特別是在黑色金屬等難加工材料的加工中，由于缺乏相應(yīng)的超硬的刀具材料，切削刀具對加工件的影響更為突出，致使黑色金屬曲面加工精度難以提高。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種曲面恒切向數(shù)控精密車削方法及其車削刀架。采用本發(fā)明可以較好的解決金屬曲面超精密加工的難題，使加工精度得到提高。
本發(fā)明通過以下技術(shù)手段得以實現(xiàn)。
本發(fā)明的一種曲面恒切向數(shù)控精密車削方法含有以下內(nèi)容利用數(shù)控系統(tǒng)的多軸聯(lián)動和閉環(huán)控制功能，通過數(shù)控系統(tǒng)控制車削刀架和車床各軸聯(lián)動，帶動車削刀具同時轉(zhuǎn)動和平動，使車削刀具始終處于曲面工件的法線方向，從而使車削刀具的刀尖始終保持一固定點與工件表面接觸，切削角度參數(shù)始終保持不變，進行曲面部件的恒切向數(shù)控車削加工。
本發(fā)明的一種曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的結(jié)構(gòu)和連接關(guān)系的特點是曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的伺服電機與傳動軸連接，傳動軸用軸承III支撐；傳動軸上設(shè)置的錐齒輪I與錐齒輪II嚙合；錐齒輪II固定連接在短軸的一端，短軸的另一端固定連接直齒輪I，短軸用軸承II支撐；短軸與卡頭連接；卡頭用軸承I支撐，卡頭上的直齒輪II與直齒輪I嚙合；在卡頭的夾刀孔內(nèi)固定連接車削刀具。短軸上安裝有限位套。傳動軸與短軸的軸線有一夾角為90°。卡頭上安裝有圓光柵。刀架上還固定安裝有子光柵。傳動軸通過撓性聯(lián)軸器與伺服電機連接。
工作時，曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架通過刀架座固定在車床的X向滑臺上，Z向滑臺沿車床主軸方向移動，X向滑臺與Z向滑臺垂直安裝，并固定在其上，隨Z向滑臺一起移動。
曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的工作原理是車削刀架的伺服電機接到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令后，帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)錐齒輪I傳遞給錐齒輪II，通過直齒輪I和直齒輪II帶動卡頭轉(zhuǎn)動。車削刀具固定在卡頭的夾刀孔內(nèi)，因此最終轉(zhuǎn)化為車削刀具繞卡頭軸線的轉(zhuǎn)動。高精度的光柵與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高車削刀具轉(zhuǎn)動精度。
曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架通過刀架座安裝在X向滑臺上。利用數(shù)控系統(tǒng)的三軸聯(lián)動控制功能，根據(jù)被加工曲面形狀，實現(xiàn)三軸聯(lián)動，帶動車削刀具恒切向加工裝夾在車床主軸上的工件。X向滑臺、Z向滑臺、曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架均裝有高精度光柵作為位置檢測元件，通過閉環(huán)控制，以提高各坐標(biāo)軸位置控制精度。
本發(fā)明通過曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架及其控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)曲面恒切向數(shù)控車削加工，車削刀具在加工車床主軸上的工件時同時有平動運動和繞卡頭軸線的轉(zhuǎn)動運動，使車削刀具始終處于切削點的法線方向，車削刀具的刀尖始終保持一固定點與工件表面接觸，切削角度參數(shù)保持不變，優(yōu)化了切削過程，避免了車削刀具刀尖圓弧誤差對加工工件精度的影響，可以有效提高加工件的表面質(zhì)量與輪廓的精度。
本發(fā)明提供了曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架車削方法及車削刀架，從而消除了一般數(shù)控車削過程中，車削刀具刀尖的形狀誤差對所加工曲面的直接影響，優(yōu)化了切削過程，提高了被加工工件表面的質(zhì)量和曲面輪廓精度。
4.


圖1普通數(shù)控車削曲面工件示意2為本發(fā)明恒切向數(shù)控車削曲面工件示意圖。
圖3為本發(fā)明曲面恒切向數(shù)控車削控制原理圖。
圖4為本發(fā)明曲面恒切向數(shù)控車削原理示意圖。
圖5為本發(fā)明實施例曲面恒切向數(shù)控車削加工系統(tǒng)主視圖。
圖6為本發(fā)明實施例曲面恒切向數(shù)控車削加工系統(tǒng)俯視圖。
圖7為本發(fā)明實施例曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架結(jié)構(gòu)示意圖之主剖視圖。
圖8為本發(fā)明實施例曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架結(jié)構(gòu)示意圖之俯視圖。
圖中1-車床主軸 2-工件 3-車削刀具 4-曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架(簡稱刀架) 5-刀架座 6-Z向滑臺 7-X向滑臺 11-伺服電機 12-傳動軸13-錐齒輪I 14-錐齒輪II 15-短軸 16-直齒輪I 17-子光柵18-圓光柵 19-直齒輪II 20-卡頭 21-軸承I 22-限位套23-軸承II 24-軸承III5.具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的伺服電機11與傳動軸12連接，傳動軸12用軸承III24支撐；傳動軸12上設(shè)置的錐齒輪I13與錐齒輪II14嚙合；錐齒輪II14固定連接在短軸15的一端，短軸15的另一端固定連接直齒輪I16，短軸15用軸承II23支撐；短軸15與卡頭20連接；卡頭20用軸承I21支撐，卡頭20上的直齒輪II19與直齒輪I16嚙合；在卡頭20的夾刀孔內(nèi)固定連接車削刀具3。短軸15上安裝有限位套22。傳動軸12與短軸15的軸線有一夾角為90°。卡頭20上安裝有圓光柵18。刀架4上還固定安裝有子光柵17。傳動軸12通過撓性聯(lián)軸器與伺服電機11連接。
圖1為普通數(shù)控車削曲面工件示意圖。車削刀具3在加工車床主軸1上的工件2時只有平動運動，車削刀具3刀尖與工件2表面的接觸點在不斷的變化。
圖2為曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架車削曲面工件示意圖。車削刀具3在加工車床主軸1上的工件2時同時有平動運動和轉(zhuǎn)動運動，從而保證車削刀具3始終處于切削點的法線方向，車削刀具3的刀尖始終保持一固定點與工件2表面接觸。
圖3為曲面恒切向數(shù)控精密車削方法控制原理圖。計算機與數(shù)控系統(tǒng)控制曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架與數(shù)控車床的X、Z向滑臺聯(lián)動，使車削刀具3沿著所加工工件曲面的母線平動和轉(zhuǎn)動，始終與曲面的法線方向同步，實現(xiàn)恒切向數(shù)控車削，保證在曲面加工過程中，車削刀具3刀尖上的切削點保持不變，從而車削刀具3的切削角度參數(shù)不變，優(yōu)化切削過程，消除數(shù)控車削刀具刀尖的形狀誤差對所加工曲面的直接影響。
圖4為曲面恒切向數(shù)控精密車削原理示意圖。加工圖示工件2時，若加工A點時車削刀具3位于該點的法線方向，A點的法線與B點的法線夾角為α，則從A點加工到B點時，使車削刀具3旋轉(zhuǎn)角度為α，此時車削刀具3在B點仍處于該點的法線方向，從而確保車削刀具3刀尖上加工A點的切削點與加工B點的切削點為同一點。
采用以上原理，可以有效克服數(shù)控車削刀具刀尖的形狀誤差對所加工曲面的直接影響，優(yōu)化了切削過程，提高了加工工件表面質(zhì)量和曲面輪廓精度。
通過在北京機床廠生產(chǎn)的JCS-035數(shù)控精密車床上加裝本發(fā)明的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，改造其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了工件內(nèi)、外非球曲面的恒切向數(shù)控精密車削，黑色金屬零件曲面輪廓精度小于10微米(工件直徑100mm)。
圖5、6分別為本發(fā)明實施例曲面恒切向數(shù)控精密車削加工系統(tǒng)主視圖和俯視圖。曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架4通過刀架座5安裝在X向滑臺7上。利用數(shù)控系統(tǒng)的三軸聯(lián)動控制功能，根據(jù)被加工曲面形狀，實現(xiàn)三軸聯(lián)動，帶動車削刀具3恒切向加工裝夾在車床主軸1上的工件2。X向滑臺7、Z向滑臺6、曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架4均裝有高精度光柵作為位置檢測元件，通過閉環(huán)控制，以提高各坐標(biāo)軸位置控制精度，X、Z向滑臺重復(fù)定位精度達1微米。其中，恒切向數(shù)控車削刀架4上的圓光柵18用于精確測量車削刀具3轉(zhuǎn)動的角位移，子光柵17即光柵讀數(shù)頭是光電轉(zhuǎn)換元件，它把光信號轉(zhuǎn)換為電信號，反饋到控制系統(tǒng)。X、Z向滑臺上的光柵用于精確測量相應(yīng)滑臺的線位移，其信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娦盘柌⒎答伒娇刂葡到y(tǒng)，以構(gòu)成閉環(huán)控制。
圖7、圖8分別為曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架結(jié)構(gòu)示意圖之主剖視圖和俯視圖。在刀架4上，傳動軸12用兩個軸承III24支撐，短軸15用兩個軸承II23支撐，卡頭20用軸承I21支撐。錐齒輪I13通過鍵安裝在傳動軸12上。短軸15上安裝有錐齒輪II14、限位套22、直齒輪I16。卡頭20上安裝有圓光柵18、直齒輪II19、車削刀具3。所有齒輪用鍵固定在軸上。錐齒輪I與錐齒輪II嚙合；傳動軸12與短軸15兩軸線的夾角為90°。直齒輪I與直齒輪II嚙合。車削刀具3安裝在卡頭的方形孔中，其刀尖處于刀架的中心線上。子光柵17固定在刀架4上。
本發(fā)明曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的工作原理是伺服電機11接到控制系統(tǒng)發(fā)出的指令后，帶動傳動軸12旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)錐齒輪I13傳遞給錐齒輪II14，直齒輪I16和錐齒輪II14都固定在短軸15上，同步轉(zhuǎn)動；當(dāng)錐齒輪II14繞短軸15軸線旋轉(zhuǎn)時，通過直齒輪I16和直齒輪II19嚙合傳動帶動卡頭20轉(zhuǎn)動。車削刀具3固定在卡頭20的夾刀孔內(nèi)，因此最終轉(zhuǎn)化為車削刀具3繞卡頭20的軸線的轉(zhuǎn)動。
高精度的光柵與控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高車削刀具轉(zhuǎn)動精度。選用高精度的軸承可以保證刀架卡頭的回轉(zhuǎn)精度在0.002mm以內(nèi)。
采用本發(fā)明制作的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架分度分辨率可達到0.2分以上，分度精度可達到1分以上，轉(zhuǎn)動角度可達180°或更大。曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架具有結(jié)構(gòu)小巧、精度高、可控性好等優(yōu)點，適用于多種金屬材料內(nèi)外曲面工件的恒切向車削加工。
曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的傳動機構(gòu)也可采用連桿或凸輪等機構(gòu)，實現(xiàn)曲面工件的恒切向車削。
權(quán)利要求
1.一種曲面恒切向數(shù)控精密車削方法，其特征在于利用數(shù)控系統(tǒng)的多軸聯(lián)動和閉環(huán)控制功能，通過數(shù)控系統(tǒng)控制車削刀架和車床各軸聯(lián)動，帶動車削刀具同時轉(zhuǎn)動和平動，使車削刀具的刀尖始終保持一固定點與工件表面接觸，切削角度參數(shù)始終保持不變，進行曲面部件的恒切向數(shù)控車削加工。
2.一種用于權(quán)利要求1的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于其伺服電機(11)與傳動軸(12)連接，傳動軸(12)用軸承III(24)支撐；傳動軸(12)上設(shè)置的錐齒輪I(13)與錐齒輪II(14)嚙合；錐齒輪II(14)固定連接在短軸(15)的一端，短軸(15)的另一端固定連接直齒輪I(16)，短軸(15)用軸承II(23)支撐；短軸(15)與卡頭(20)連接；卡頭(20)用軸承I(21)支撐，卡頭(20)上的直齒輪II(19)與直齒輪I(16)嚙合；在卡頭(20)的夾刀孔內(nèi)固定連接車削刀具(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于短軸(15)上安裝有限位套(22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于傳動軸(12)與短軸(15)的軸線有一夾角。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于卡頭(20)上安裝有圓光柵(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于刀架(4)上還固定安裝有子光柵(17)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于傳動軸(12)與短軸(15)的軸線夾角為90°。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的的曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架，其特征在于傳動軸(12)通過撓性聯(lián)軸器與伺服電機(11)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種曲面恒切向數(shù)控方法及其車削刀架，曲面恒切向數(shù)控精密車削刀架的伺服電機與傳動軸通過撓性聯(lián)軸器連接，傳動軸與錐齒輪I連接，錐齒輪I與錐齒輪II嚙合，通過直齒輪I和直齒輪II帶動卡頭轉(zhuǎn)動；車削刀具固定連接在卡頭的夾刀孔內(nèi)。通過控制車削刀具的運動方式，使車削刀具切削角度保持恒定，優(yōu)化了切削過程，克服了常規(guī)數(shù)控車削刀具刀尖的形狀誤差對加工曲面精度的直接影響，實現(xiàn)了內(nèi)外曲面的恒切向數(shù)控車削加工，提高了曲面工件的加工質(zhì)量和精度。
文檔編號B23Q15/007GK1465467SQ0213342
公開日2004年1月7日 申請日期2002年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月3日
發(fā)明者李尚政, 劉宏, 張日升 申請人:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所, 中國工程物理研究院機械制造工藝研究