专利名称：一种曲面恒切向数控精密车削方法及其车削刀架的制作方法
技术领域：
本发明属于机械制造技术及装置领域，具体涉及一种曲面恒切向数控精密车削方法及其车削刀架。
2.背景技术普通数控车床车削曲面工件过程中，刀具在被加工的工件上平动运动，刀具刀尖与工件表面的接触点在不断的变化，导致了切削角度参数也在不断变化，处于非优化的状况下，刀具刀尖的形状误差直接影响所加工曲面的精度，使曲面加工的精度受到影响。
在实际加工过程中，为了利于切削，常需要较小的刀尖半径。刃磨具有准确刀尖形状和小半径值数控车削刀具，难度大，成本高。数学计算与工程实验表明，车削刀具刀尖轮廓刃磨的形状误差与工件轮廓误差的关系约为1∶1，刀尖圆半径的测量误差与工件轮廓误差的关系约为1∶0.414。例如若刀具刀尖圆半径理论值为0.2mm，在人工磨削时造成刀具刀尖轮廓的形状误差为0.02mm，则加工工件时将大约产生0.02mm的工件轮廓误差；若测量此刀具刀尖半径时产生了0.02mm的测量误差，在加工时用此实际测量值作为刀尖半径补偿量，则数控车削曲面工件成形后约产生0.0083mm的轮廓误差，这对精密、超精密加工是极为不利的。特别是在黑色金属等难加工材料的加工中，由于缺乏相应的超硬的刀具材料，切削刀具对加工件的影响更为突出，致使黑色金属曲面加工精度难以提高。
3.发明内容本发明的目的是提供一种曲面恒切向数控精密车削方法及其车削刀架。采用本发明可以较好的解决金属曲面超精密加工的难题，使加工精度得到提高。
本发明通过以下技术手段得以实现。
本发明的一种曲面恒切向数控精密车削方法含有以下内容利用数控系统的多轴联动和闭环控制功能，通过数控系统控制车削刀架和车床各轴联动，带动车削刀具同时转动和平动，使车削刀具始终处于曲面工件的法线方向，从而使车削刀具的刀尖始终保持一固定点与工件表面接触，切削角度参数始终保持不变，进行曲面部件的恒切向数控车削加工。
本发明的一种曲面恒切向数控精密车削刀架的结构和连接关系的特点是曲面恒切向数控精密车削刀架的伺服电机与传动轴连接，传动轴用轴承III支撑；传动轴上设置的锥齿轮I与锥齿轮II啮合；锥齿轮II固定连接在短轴的一端，短轴的另一端固定连接直齿轮I，短轴用轴承II支撑；短轴与卡头连接；卡头用轴承I支撑，卡头上的直齿轮II与直齿轮I啮合；在卡头的夹刀孔内固定连接车削刀具。短轴上安装有限位套。传动轴与短轴的轴线有一夹角为90°。卡头上安装有圆光栅。刀架上还固定安装有子光栅。传动轴通过挠性联轴器与伺服电机连接。
工作时，曲面恒切向数控精密车削刀架通过刀架座固定在车床的X向滑台上，Z向滑台沿车床主轴方向移动，X向滑台与Z向滑台垂直安装，并固定在其上，随Z向滑台一起移动。
曲面恒切向数控精密车削刀架的工作原理是车削刀架的伺服电机接到控制系统发出的指令后，带动传动轴旋转。旋转运动经锥齿轮I传递给锥齿轮II，通过直齿轮I和直齿轮II带动卡头转动。车削刀具固定在卡头的夹刀孔内，因此最终转化为车削刀具绕卡头轴线的转动。高精度的光栅与控制系统形成闭环控制系统，提高车削刀具转动精度。
曲面恒切向数控精密车削刀架通过刀架座安装在X向滑台上。利用数控系统的三轴联动控制功能，根据被加工曲面形状，实现三轴联动，带动车削刀具恒切向加工装夹在车床主轴上的工件。X向滑台、Z向滑台、曲面恒切向数控精密车削刀架均装有高精度光栅作为位置检测元件，通过闭环控制，以提高各坐标轴位置控制精度。
本发明通过曲面恒切向数控精密车削刀架及其控制系统，可以实现曲面恒切向数控车削加工，车削刀具在加工车床主轴上的工件时同时有平动运动和绕卡头轴线的转动运动，使车削刀具始终处于切削点的法线方向，车削刀具的刀尖始终保持一固定点与工件表面接触，切削角度参数保持不变，优化了切削过程，避免了车削刀具刀尖圆弧误差对加工工件精度的影响，可以有效提高加工件的表面质量与轮廓的精度。
本发明提供了曲面恒切向数控精密车削刀架车削方法及车削刀架，从而消除了一般数控车削过程中，车削刀具刀尖的形状误差对所加工曲面的直接影响，优化了切削过程，提高了被加工工件表面的质量和曲面轮廓精度。
4.
图1普通数控车削曲面工件示意2为本发明恒切向数控车削曲面工件示意图。
图3为本发明曲面恒切向数控车削控制原理图。
图4为本发明曲面恒切向数控车削原理示意图。
图5为本发明实施例曲面恒切向数控车削加工系统主视图。
图6为本发明实施例曲面恒切向数控车削加工系统俯视图。
图7为本发明实施例曲面恒切向数控精密车削刀架结构示意图之主剖视图。
图8为本发明实施例曲面恒切向数控精密车削刀架结构示意图之俯视图。
图中1-车床主轴 2-工件 3-车削刀具 4-曲面恒切向数控精密车削刀架(简称刀架) 5-刀架座 6-Z向滑台 7-X向滑台 11-伺服电机 12-传动轴13-锥齿轮I 14-锥齿轮II 15-短轴 16-直齿轮I 17-子光栅18-圆光栅 19-直齿轮II 20-卡头 21-轴承I 22-限位套23-轴承II 24-轴承III5.具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。
本发明的曲面恒切向数控精密车削刀架的伺服电机11与传动轴12连接，传动轴12用轴承III24支撑；传动轴12上设置的锥齿轮I13与锥齿轮II14啮合；锥齿轮II14固定连接在短轴15的一端，短轴15的另一端固定连接直齿轮I16，短轴15用轴承II23支撑；短轴15与卡头20连接；卡头20用轴承I21支撑，卡头20上的直齿轮II19与直齿轮I16啮合；在卡头20的夹刀孔内固定连接车削刀具3。短轴15上安装有限位套22。传动轴12与短轴15的轴线有一夹角为90°。卡头20上安装有圆光栅18。刀架4上还固定安装有子光栅17。传动轴12通过挠性联轴器与伺服电机11连接。
图1为普通数控车削曲面工件示意图。车削刀具3在加工车床主轴1上的工件2时只有平动运动，车削刀具3刀尖与工件2表面的接触点在不断的变化。
图2为曲面恒切向数控精密车削刀架车削曲面工件示意图。车削刀具3在加工车床主轴1上的工件2时同时有平动运动和转动运动，从而保证车削刀具3始终处于切削点的法线方向，车削刀具3的刀尖始终保持一固定点与工件2表面接触。
图3为曲面恒切向数控精密车削方法控制原理图。计算机与数控系统控制曲面恒切向数控精密车削刀架与数控车床的X、Z向滑台联动，使车削刀具3沿着所加工工件曲面的母线平动和转动，始终与曲面的法线方向同步，实现恒切向数控车削，保证在曲面加工过程中，车削刀具3刀尖上的切削点保持不变，从而车削刀具3的切削角度参数不变，优化切削过程，消除数控车削刀具刀尖的形状误差对所加工曲面的直接影响。
图4为曲面恒切向数控精密车削原理示意图。加工图示工件2时，若加工A点时车削刀具3位于该点的法线方向，A点的法线与B点的法线夹角为α，则从A点加工到B点时，使车削刀具3旋转角度为α，此时车削刀具3在B点仍处于该点的法线方向，从而确保车削刀具3刀尖上加工A点的切削点与加工B点的切削点为同一点。
采用以上原理，可以有效克服数控车削刀具刀尖的形状误差对所加工曲面的直接影响，优化了切削过程，提高了加工工件表面质量和曲面轮廓精度。
通过在北京机床厂生产的JCS-035数控精密车床上加装本发明的曲面恒切向数控精密车削刀架，改造其控制系统，实现了工件内、外非球曲面的恒切向数控精密车削，黑色金属零件曲面轮廓精度小于10微米(工件直径100mm)。
图5、6分别为本发明实施例曲面恒切向数控精密车削加工系统主视图和俯视图。曲面恒切向数控精密车削刀架4通过刀架座5安装在X向滑台7上。利用数控系统的三轴联动控制功能，根据被加工曲面形状，实现三轴联动，带动车削刀具3恒切向加工装夹在车床主轴1上的工件2。X向滑台7、Z向滑台6、曲面恒切向数控精密车削刀架4均装有高精度光栅作为位置检测元件，通过闭环控制，以提高各坐标轴位置控制精度，X、Z向滑台重复定位精度达1微米。其中，恒切向数控车削刀架4上的圆光栅18用于精确测量车削刀具3转动的角位移，子光栅17即光栅读数头是光电转换元件，它把光信号转换为电信号，反馈到控制系统。X、Z向滑台上的光栅用于精确测量相应滑台的线位移，其信号经光电转换后变为电信号并反馈到控制系统，以构成闭环控制。
图7、图8分别为曲面恒切向数控精密车削刀架结构示意图之主剖视图和俯视图。在刀架4上，传动轴12用两个轴承III24支撑，短轴15用两个轴承II23支撑，卡头20用轴承I21支撑。锥齿轮I13通过键安装在传动轴12上。短轴15上安装有锥齿轮II14、限位套22、直齿轮I16。卡头20上安装有圆光栅18、直齿轮II19、车削刀具3。所有齿轮用键固定在轴上。锥齿轮I与锥齿轮II啮合；传动轴12与短轴15两轴线的夹角为90°。直齿轮I与直齿轮II啮合。车削刀具3安装在卡头的方形孔中，其刀尖处于刀架的中心线上。子光栅17固定在刀架4上。
本发明曲面恒切向数控精密车削刀架的工作原理是伺服电机11接到控制系统发出的指令后，带动传动轴12旋转。旋转运动经锥齿轮I13传递给锥齿轮II14，直齿轮I16和锥齿轮II14都固定在短轴15上，同步转动；当锥齿轮II14绕短轴15轴线旋转时，通过直齿轮I16和直齿轮II19啮合传动带动卡头20转动。车削刀具3固定在卡头20的夹刀孔内，因此最终转化为车削刀具3绕卡头20的轴线的转动。
高精度的光栅与控制系统形成闭环控制系统，提高车削刀具转动精度。选用高精度的轴承可以保证刀架卡头的回转精度在0.002mm以内。
采用本发明制作的曲面恒切向数控精密车削刀架分度分辨率可达到0.2分以上，分度精度可达到1分以上，转动角度可达180°或更大。曲面恒切向数控精密车削刀架具有结构小巧、精度高、可控性好等优点，适用于多种金属材料内外曲面工件的恒切向车削加工。
曲面恒切向数控精密车削刀架的传动机构也可采用连杆或凸轮等机构，实现曲面工件的恒切向车削。
权利要求
1.一种曲面恒切向数控精密车削方法，其特征在于利用数控系统的多轴联动和闭环控制功能，通过数控系统控制车削刀架和车床各轴联动，带动车削刀具同时转动和平动，使车削刀具的刀尖始终保持一固定点与工件表面接触，切削角度参数始终保持不变，进行曲面部件的恒切向数控车削加工。
2.一种用于权利要求1的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于其伺服电机(11)与传动轴(12)连接，传动轴(12)用轴承III(24)支撑；传动轴(12)上设置的锥齿轮I(13)与锥齿轮II(14)啮合；锥齿轮II(14)固定连接在短轴(15)的一端，短轴(15)的另一端固定连接直齿轮I(16)，短轴(15)用轴承II(23)支撑；短轴(15)与卡头(20)连接；卡头(20)用轴承I(21)支撑，卡头(20)上的直齿轮II(19)与直齿轮I(16)啮合；在卡头(20)的夹刀孔内固定连接车削刀具(3)。
3.根据权利要求2所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于短轴(15)上安装有限位套(22)。
4.根据权利要求2所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于传动轴(12)与短轴(15)的轴线有一夹角。
5.根据权利要求2所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于卡头(20)上安装有圆光栅(18)。
6.根据权利要求2所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于刀架(4)上还固定安装有子光栅(17)。
7.根据权利要求4所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于传动轴(12)与短轴(15)的轴线夹角为90°。
8.根据权利要求2所述的的曲面恒切向数控精密车削刀架，其特征在于传动轴(12)通过挠性联轴器与伺服电机(11)连接。
全文摘要
本发明提供了一种曲面恒切向数控方法及其车削刀架，曲面恒切向数控精密车削刀架的伺服电机与传动轴通过挠性联轴器连接，传动轴与锥齿轮I连接，锥齿轮I与锥齿轮II啮合，通过直齿轮I和直齿轮II带动卡头转动；车削刀具固定连接在卡头的夹刀孔内。通过控制车削刀具的运动方式，使车削刀具切削角度保持恒定，优化了切削过程，克服了常规数控车削刀具刀尖的形状误差对加工曲面精度的直接影响，实现了内外曲面的恒切向数控车削加工，提高了曲面工件的加工质量和精度。
文档编号B23Q15/007GK1465467SQ0213342
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月3日 优先权日2002年7月3日
发明者李尚政, 刘宏, 张日升 申请人:中国工程物理研究院机械制造工艺研究所, 中国工程物理研究院机械制造工艺研究