CN101480722B - 用于回转支承滚道切削加工的成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于回转支承滚道切削加工的成型方法，包括双圆弧型滚道加工和直角型滚道加工，双圆弧型滚道加工分两阶段进行，第一阶段由n个切削循环构成，循环次数n＝圆弧半径R/每次最大进刀量L，n＝1，2，3…n，每次循环圆弧刀具沿工件轴向的进刀量为

，使圆弧刀具沿工件径向每次的切削量相同，第一阶段切除工件上成型弧面区域的绝大部分金属，第二阶段用包络法对留下的余量切削出弧成型面；直角型滚道加工使用刀尖角度小于90度的车刀，结合刀口对刀方法完成X、Z方向对刀，然后按一定的走刀路线循环切除直角形状，最后进行光刀，上述回转支承滚道的切削过程结合宏指令编程完成。本发明可确保切削面积小于允许的值，避免刀具断裂机床振动等问题。

Description

用于回转支承滚道切削加工的成型方法

技术领域

本发明涉及回转支承滚道切削加工方法，具体地讲是一种用于数控立式车床上双圆弧滚道和直角型滚道切削加工成型方法。

背景技术

随着回转支承市场需求的不断增长，回转支承的加工企业也极力提高生产效率。目前，广泛使用的加工方式有两种：普通立式车床的手动切削和数控立式车床的自动切削。前者的加工精度完全取决于操作工熟练程度，加工出的滚道形状有很大随机性且效率很低，无法满足高质量高效率的生产要求。后者实现了自动加工，大多数厂家使用软件自动生成加工语言，虽然最终也能加工出精度高的产品，但是却存在一系列问题：回转支承属于典型的结构基本相同、型号众多的系列产品，如果使用自动编程，不同的型号的产品都要重新编制程序，加长了产品的开发周期，增加了开发成本；自动编程实现的程序庞大，出现问题很难找出症结所在；自动编程走刀路径、走刀速度，切削宽度有很大随机性，而实际加工中对这些参数都有要求，否则很容易在加工过程中使机床产生振动，严重影响工件的加工精度和表面质量，甚至使加工无法正常进行。回转支承产品品种很多，主要是根据滚动体形状区分，其中最常用的是圆珠滚子和圆柱滚子。目前的加工方法将这两种滚道区别对待，分开进行加工程序开发，没有进行集成。

对于小尺寸的滚道，可用成型刀垂直于切削面直切成型。但对于大到一定尺寸的滚道，如果采用这种方法就对机床性能要求很高，因为大滚道切削面积很大，就会使机床承受很大的切削力，容易引起刀具断裂机床振动等。这种情况只有采用小尺寸刀具按程序多步加工成型，确保切削面积小于允许的值，避免刀具断裂机床振动等问题。

为解决上述的问题，需要开发新的加工工艺方法，使其适用于不同结构回转支承加工的同时，适用于同一种结构的不同规格的加工。宏指令编程是一种很好的解决途径，它是指像高级语言一样，可以使用变量进行算术运算、逻辑运算和函数混合运算的程序编写形式。在宏程序形式中，一般都提供循环、判断、分支和子程序调用的方法，可用于编制各种复杂的零件加工程序。熟练应用宏程序指令进行编程，可大大精简程序量，在一定意义上说，还可以增强机床的加工适应能力。

发明内容

本发明旨在于解决现有技术中存在的不足，提供了一种可使刀具受力均匀，避免刀具断裂机床振动，并结合宏指令编程方法，集多种加工用途于一个加工程序，大大方便了用户操作的回转支承滚道切削加工的成型方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于回转支承滚道切削加工的成型方法，其特征在于，包括双圆弧型滚道加工和直角型滚道加工，其中双圆弧型滚道加工分两阶段进行，第一阶段由n个切削循环构成，其中循环次数n＝圆弧半径R/每次最大进刀量L，n＝1，2，3…n，每次循环圆弧刀具沿工件轴向的进刀量为

由数控装置控制圆弧刀具按上式得出的进刀量沿工件轴向做进给运动，使圆弧刀具沿工件径向每次的切削量相同，第一阶段切除工件上成型弧面区域的绝大部分金属，第二阶段用包络法对第一阶段留下的余量切削出成型弧面；直角型滚道加工使用刀尖角度小于90度的车刀，结合刀口对刀方法完成X、Z方向对刀，然后按一定的走刀路线循环切除直角形状，最后进行光刀，上述回转支承滚道的切削过程结合宏指令编程完成。

其中，所述宏指令编程中，将各种可变特征如粗车、精车、切削宽度、切削速度、切削循环次数、不同尺寸的刀具进行参数化，功能高度集成，只要修改参数，就可方便完成需要的加工效果。

所述X、Z方向对刀通过两次对刀完成，第一次进行X方向对刀，用刀尖靠近工件圆柱形弧面对刀，得出圆弧面与刀尖接触点X方向的机床坐标值；第二次通过用刀具下刀沿接触工件圆柱上端面外缘，得出X、Z轴坐标值，然后推导出工件上端面准确坐标，完成Z轴方向对刀。

所述上下半偏心圆弧与过渡圆弧倒角结合处点坐标用参数表示，结合处点坐标随实际加工尺寸参数变化自动变化。

本发明相对于现有技术具有以下技术特征：

1、本发明采用小尺寸刀具结合等宽度切削理论按程序多步加工成型，确保切削面积小于允许的值，避免刀具断裂机床振动等问题；

2、本发明应用的宏指令编程像高级语言一样，可以使用变量进行算术运算、逻辑运算和函数混合运算的程序编写形式。在宏程序形式中，一般都提供循环、判断、分支和子程序调用的方法，可用于编制各种复杂的零件加工程序。熟练应用宏程序指令进行编程，可大大精简程序量，在一定意义上说，还可以增强机床的加工适应能力。

3、本发明采用了等宽度切削理论结合宏指令编程方法，集多种加工用途于一个加工程序，大大方便了用户操作，实现了良好的加工效果，缩短的产品开发周期，提高了生产效率和产品质量，增强了产品的市场竞争力。加工程序由宏指令编制而成，使加工程序得以参数化。对于不同的产品结构尺寸、刀半径、走刀次数、切削宽度，只需更改程序中对应的一个参数，就可完成加工程序的开发。

附图说明

图1为本发明双圆弧型滚道加工结构示意图(图中符号为宏指令程序的R参数)；

图2为本发明双圆弧型滚道加工原理示意图；

图3为本发明双圆弧型滚道加工过程1部分状态图；

图4为本发明双圆弧型滚道加工过程2部分状态图；

图5为本发明双圆弧型滚道加工过程3部分状态图；

图6为本发明上半圆弧成型方法原理图；

图7为本发明直角型滚道加工结构示意图；

图8为本发明直角型滚道加工X方向对刀示意图；

图9为本发明直角型滚道加工Z方向对刀示意图；

图10为发明直角型滚道加工走刀路线；

图11为发明直角型滚道加工单次循环路线；

图12为发明直角型滚道加工单次循环路线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术内容作说明。

回转支承滚道切削加工包括双圆弧型滚道加工和直角型滚道加工，其中双圆弧型滚道加工分两阶段进行，第一阶段由n个切削循环构成，其中循环次数n＝圆弧半径R/每次最大进刀量L，n＝1，2，3…n，每次循环圆弧刀具沿工件轴向的进刀量为

由数控装置控制圆弧刀具按上式得出的进刀量沿工件轴向做进给运动，使圆弧刀具沿工件径向每次的切削量相同，第一阶段切除工件上成型弧面区域的绝大部分金属，第二阶段用包络法对第一阶段留下的余量切削出成型弧面；直角型滚道加工使用刀尖角度小于90度的车刀，结合刀口对刀方法完成X、Z方向对刀，然后按一定的走刀路线循环切除直角形状，最后进行光刀，上述回转支承滚道的切削过程结合宏指令编程完成。

实施例：

1、双圆弧滚道

如图1所示，本发明的实施例结合此图提供的尺寸进行说明，回转支承双圆弧滚道加工是使用半径为r的圆弧刀具，在矩形工件端面切削出半径为R的半圆。加工分两阶段进行，第一阶段切除成型区域的绝大部分金属，仅留下较少的余量给第二阶段，第二阶段用包络法加工出成型面。第一阶段属于重切削，容易产生振动，等宽度切削方法主要用于此阶段。可以将第一阶段切削分成n刀完成，循环次数n＝圆弧半径R/每次最大进刀量L，n＝1，2，3…n，附图2中n等于3，图中OA＝AB＝BC＝R/3，OD＝OE＝R，由勾股定理的 $\mathrm{AE}=\sqrt{{\mathrm{OE}}^2-{\mathrm{OA}}^2}=\frac{\sqrt{8}}{3}R,$ $\mathrm{BD}=\sqrt{{\mathrm{OD}}^2-{\mathrm{OB}}^2}=\frac{\sqrt{5}}{3}R.$

第一阶段切削过程详述如下：(1)第一循环，圆刀具中心在Z轴方向移至OC水平位置，X方向将圆刀具移至与工件接触。然后，将刀具上移 $R1=\frac{\sqrt{5}}{3}(R-r),$ 以O为中心，以R-r为半径顺时针运动，图3中阴影部分为此循环切除的部分。(2)第二循环，圆刀具下移至距OC水平位置 $R2=\frac{\sqrt{8}}{3}(R-r)$ 处，X方向将圆刀具移至与工件接触。然后，以O为中心，以R-r为半径逆时针运动，图4中阴影部分为此循环切除的部分。(3)第三循环，圆刀具上移至距OC水平位置R3＝R-r处，X方向将圆刀具移至与工件接触，然后，以O为中心，以R-r为半径顺时针运动，图5中阴影部分为此循环切除的部分。

结合宏指令编程，将本发明描述如下：

$R1=\frac{\sqrt{5}}{3}(R-r)$ $R2=\frac{\sqrt{8}}{3}(R-r)$ R3＝R-r

R10为X轴方向圆刀具接触工件时的坐标值；

R20为Z轴方向圆刀具中心在OC水平位置时的坐标值；

N10G90G94G01G23X＝R10-4Z＝R20F20

N20G01Z＝R20+R1F20

N30G01X＝R10Z＝R20+R1F20

N40G03Z＝R20-R 1CR＝R3

N50G01Z＝R20-R2F20

N60G02Z＝R20+R2CR＝R3

N70G01Z＝R20+R3F20

N80G02Z＝R20-R3CR＝R3

N82G90G01X＝R10Z＝R20

第二阶段主要是完成上下偏心圆弧及过渡圆弧倒角的车削，关键在于确定偏心圆弧及过渡圆弧过渡点的坐标。为了叙述的方便，假设图1中的零件图纸尺寸R8＝R9＝R10，预留滚道磨削余量R14＝0，仅说明上半圆弧成型方法，下半圆弧同理。

如图6所示，O₁为圆弧刀起始位置，圆弧刀走一顺圆弧到O₂位置，再走一逆圆弧到O₃位置，完成上半部分的修整。圆弧刀要到达O₁位置，需要运行程序段N120G01X＝R42Z＝R43F＝R4。式中R42、R43分别为圆弧刀O₁位置的X、Z轴绝对坐标值。因为刀具圆心到达G时坐标值是已知的，所以推出AO′值就可以了。如图6，ΔO₁OG为直角三角形，根据直角定律 $O_{1}G=\sqrt{O_1{O}^2-{\mathrm{OG}}^2},$ O₁O′＝O₁G-O′G，式中已知O₁O＝1.41421*R7+R6-R5、OG＝O′G＝R7。设O₁O＝R52、O₁G＝R60，则得R60＝SQRT(R52*R52-R7*R7)、R42＝(-R14+R60-R7+R5)*2+R8、R43＝R12-R11-R13-R5+R3。

刀具到达O₁位置后，需走一顺圆弧到O₂位置，此步需要运行程序段N130G02X＝R40Z＝R41 CR＝R52 F＝R4(X、Z表示圆弧终点坐标，CR表示走刀半径，F表示进给速率)。如图6，ΔO₄OE、ΔO₄O₂D、ΔO₂OF为直角三角形，根据直角定律 $\mathrm{OE}=\sqrt{O_4{O}^2-O_4{E}^2}.$ 假设O₄O＝R53、O₄E＝R54、OE＝R55，则得R53＝1.41421*R7+R6+R16，R54＝(R9-R8)*0.5+R16+R14+R7，R55＝SQRT(R53*R53-R54*R54)。因为ΔO₄OE、ΔO₂OF与ΔO₄O₂D是相似三角形，所以O₄D＝O₄O₂*O₄E/O₄O、O₂D＝O₄O₂*OE/O₄O。假设O₄D＝R62、O₄O₂＝R51、O₄E＝R54、O₄O＝R53、O₂D＝R57，则得R51＝R5+R16，R62＝R51*R54/R53、R57＝R51*R55/R53、R40＝(R16-R62+R5)*2+R9、R41＝R43+R55-R7-R57。刀具到达O₂位置后，需走一逆圆弧到O₃位置，此步需要运行程序段N140G03X＝R37Z＝R39 CR＝R51 F＝R4(X、Z表示圆弧终点坐标，CR表示走刀半径，F表示进给速率)。由已知条件得R37＝R9、R39＝R55-R7+R43。

结合宏指令编程，将本发明描述如下：

R100对刀车削时CRT上显示的X坐标值；

R101对刀车削后所切削部位的直径测量值；

R1本工序工件毛坯厚度；

R3刀碰工件上端面CRT显示的Z坐标值；

R4本工序所取的进给速度(工作台40rpm，建议R4＝12mm/min)；

R5圆弧刀半径；

R6钢球半球；

R7偏心距；

R8～R12按照零件图纸尺寸赋值；

R13预留上端面加工余量；

R14预留滚道磨削余量；

R16滚道上下圆弧倒角半径；

％_N_NGD_MPF

N05R100＝？R101＝？

N10R1＝？R2＝？R3＝？R4＝？

N20R8＝？R9＝？R10＝？R11＝？R12＝？

N30R5＝？R6＝？R7＝？

N40R13＝？R14＝？R16＝？

N50R3＝R3-R18R8＝R8+R100-R101R9＝R9+R100-R101R10＝R10+R100-R101

N60G53

N70L1P1

L3P1

N80M2

％_N_L1_SPF

N10R120＝-R14*2+R8+4+R19R121＝-R11+R12-R13-R5+R3R123＝R121+R6-R5

N20G90G94G01G23X＝R120-3.5Z＝R121-3.373F20

N30G01X＝R120Z＝R121-3.373F＝R4

N40G02Z＝R121+3.373CR＝4.525

N50G01Z＝R121+4.266

N60G03Z＝R121-4.266CR＝4.525

N70G01Z＝R121-4.525F＝R4

N80G02Z＝R121+4.525CR＝4.525

N82G90G01X＝R120Z＝R123

N95R17＝1.5

N80L2P1

M17

％_N_L2_SPF

R32＝R6-R5R33＝R32*2

N10G91G01G94X＝2*R17F＝R4

N20G03Z＝-R33CR＝R32

N30G01X＝2*R17

N40G02Z＝R33CR＝R32

M17

％_N_L3_SPF

R51＝R5+R16

R52＝1.41421*R7+R6-R5

R53＝1.41421*R7+R6+R16

R54＝(R9-R8)*0.5+R16+R14+R7

R43＝R12-R11-R13-R5+R3

R55＝SQRT(R53*R53-R54*R54)

R56＝(R10-R8)*0.5+R16+R14+R7

R58＝SQRT(R53*R53-R56*R56)

R57＝R51*R55/R53

R59＝R51*R58/R53

R60＝SQRT(R52*R52-R7*R7)

R61＝R51*R56/R53

R62＝R51*R54/R53

R37＝R9

R39＝R55-R7+R43

R40＝(R16-R62+R5)*2+R9

R41＝R43+R55-R7-R57

R42＝(-R14+R60-R7+R5)*2+R8

R44＝(R16+R5-R61)*2+R10

R45＝-R58+R7+R59+R43

R46＝R10

R47＝-R58+R7+R43

R48＝-R1-R5+R3

N100G90G94G01X＝R46-2Z＝R43F50；修上半圆弧，修过渡圆弧

N110G01X＝R42-3Z＝R43F50

N120G01X＝R42Z＝R43F＝R4

N130G02X＝R40Z＝R41CR＝R52F＝R4

N140G03X＝R37Z＝R39CR＝R51F＝R4

N150G01X＝R46Z＝R43F500；修下半圆弧，修过渡圆弧

N160G01X＝R42-1Z＝R43F500

N170G01X＝R42Z＝R43F＝R4

N180G03X＝R44Z＝R45CR＝R52F＝R4

N190G02X＝R46Z＝R47CR＝R51

N200G90G94G01X＝R46-2；上半圆弧光刀，车外圆

N205G01Z＝R43F800

N210G01X＝R42-1Z＝R43F500

N220G01X＝R42Z＝R43F＝R4

N230G03X＝R44Z＝R45CR＝R52F＝R4

N240G02X＝R46Z＝R47CR＝R51F＝R4

N250G01X＝R46Z＝R48F＝R4

N260G01X＝R46-2F100

N270G01Z＝R43F800

N280G01X＝R42-1Z＝R43F500；下半圆弧光刀，车外圆

N290G01X＝R42Z＝R43F＝R4

N300G02X＝R40Z＝R41CR＝R52F＝R4

N310G03X＝R37Z＝R39CR＝R51F＝R4

M17

2、直角型滚道

如图7所示，直角型滚道加工，是使用刀尖角度小于90度的三角形车刀，按一定的走刀路线循环切除直角形状，最后进行光刀。此方法关键在于解决垂直方向对刀问题，因为要确定程序的起始坐标，必须通过X、Z方向的对刀来完成。本方法采用两次对刀来确定Z轴对刀处坐标，第一次对刀，如图8所示，得到X向坐标R100。第二次对刀，如图9所示，得到X向坐标R200、Y向坐标R201。根据直角三角形定理可计算出刀具轴线到工件上端面的距离R121，再用R201-R121得到上端面的机床坐标值R122。

设R203走刀次数，程序循环次数R250＝R203/2，如图10所示，每个循环包含两次进刀，程序通过循环判断语句N200IF R250＞0COTOB TR3来通断循环，单次循环路线如图11所示。具体过程如图12，程序第一步向右下方走直线AB(程序段N120G01G91G94X＝-R205*2Z＝-R205F＝R4)，第二步向下方走直线BC＝R160＝2*(R150*SIN45)-2*R205(程序段N130Z＝-R160F＝R4)，第三步向左下方走直线CD(程序段N140X＝2*R205Z＝-R205R＝R4)，第四步向右上方走直线DE(程序段N150X＝-4*R205Z＝2*R205F＝R4)，第五步向上方走直线EF＝R161＝2*(R150*SIN45)-4*R205-R170*R205(程序段N160Z＝R161F＝R4)。

结合宏指令编程，将本发明描述如下：

R100第一次对刀车削时CRT上显示的X坐标值；

R101第一次对刀车削后所切削部位的直径测量值；

R200第二次对刀车削时CRT显示的X坐标值；

R201第二次件上端面CRT显示的Y坐标值；

R202刀尖角度；

R203走刀次数；

R205每次进给量；

R210预留滚道磨削余量；

R150滚子边长；

R1本工序工件毛坯厚度；

R4本工序所取的进给速度(工作台40rpm，建议R4＝12mm/min)；

R8～R12按照零件图纸尺寸赋值；

R13预留上端面加工余量；

N05R100＝？R101＝？R200＝？R201＝？R205＝？

N10R1＝？R2＝？R3＝？R4＝？

N20R5＝？R6＝？R7＝？R8＝？R9＝？R10＝？

N30R11＝？R12＝？R13＝？

N50R8＝R8+R100-R101R9＝R9+R100-R101R10＝R10+R100-R101

N60R250＝R203/2R120＝(R100-R200)/2R121＝TAN(R202/2)*R120

R122＝R201-R121R123＝R122-R13-R11+R12+R150*SIN45R170＝0

N100G01G90G94X＝R100+1+2*R210Z-R123F200

N110R160＝2*(R150*SIN45)-2*R205-R170*R205R161＝2*(R150*SIN45)

-4*R205-R170*R205

N120TR3：G01G91G94X＝-R205*2Z＝-R205F＝R4

N130Z＝-R160F＝R4

N140X＝2*R205Z＝-R205R＝R4

N150X＝-4*R205Z＝2*R205F＝R4

N160Z＝R161F＝R4

N170X＝2*R205Z＝R205F＝R4

N180X＝-2*R205Z＝-R205F＝R4

N190R250＝R250-1R170＝R170+4

N200IF R250＞0COTOB TR3

N210G01G91G94X＝-1F＝R4

N220X＝2*(R150*SIN45+1)Z＝-(R150*SIN45+1)F＝R4

N230Z＝R150*SIN45+1F＝R4

N250X＝-2*(R150*SIN45+1)

N260X＝2*(R150*SIN45+1)Z＝R150*SIN45+1F＝R4

N270X＝10F20

N280Z＝300F400

本发明中，圆弧滚道程序与方型滚道程序中所使用的相同R参数不存在冲突，当这两个程序中的一个程序在运行时，另一个程序设为不运行的。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容已经全部记载在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种用于回转支承滚道切削加工的成型方法，其特征在于，包括双圆弧型滚道加工和直角型滚道加工，其中双圆弧型滚道加工分两阶段进行，第一阶段由n个切削循环构成，其中循环次数n＝圆弧半径R/每次最大进刀量L，n＝1，2，3…n，每次循环圆弧刀具沿工件轴向的进刀量为由数控装置控制圆弧刀具按上式得出的进刀量沿工件轴向做进给运动，使圆弧刀具沿工件径向每次的切削量相同，第一阶段切除工件上成型弧面区域的绝大部分金属，第二阶段用包络法对第一阶段留下的余量切削出弧成型面，完成上下半偏心圆弧及过渡圆弧倒角的车削，确定偏心圆弧及过渡圆弧过渡点的坐标；直角型滚道加工使用刀尖角度小于90度的车刀，结合刀口对刀方法完成X、Z方向对刀，然后按一定的走刀路线循环切除直角形状，最后进行光刀，上述回转支承滚道的切削过程结合宏指令编程完成；所述宏指令编程中，将各种可变特征：粗车、精车、切削宽度、切削速度、切削循环次数、不同尺寸的刀具进行参数化，功能高度集成，只要修改参数，就可完成需要的加工效果。

2.根据权利要求1所述的用于回转支承滚道切削加工的成型方法，其特征在于，所述X、Z方向对刀通过两次对刀完成，第一次进行X方向对刀，用刀尖靠近工件圆柱形弧面对刀，得出圆弧面与刀尖接触点X方向的机床坐标值；第二次通过用刀具下刀沿接触工件圆柱上端面外缘，得出X、Z轴坐标值，然后推导出工件上端面准确坐标，完成Z轴方向对刀。

3.根据权利要求1所述的用于回转支承滚道切削加工的成型方法，其特征在于，所述上下半偏心圆弧与过渡圆弧倒角结合处点坐标用参数表示，结合处点坐标随实际加工尺寸参数变化自动变化。

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