CN101530975A - 高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法，首先将金刚石车刀固定在可以旋转摆动的工作台上，并在金刚石车刀上方固定CCD相机；通过图像采集卡实时将金刚石车刀的图像采集到计算机；将金刚石车刀前端需加工的圆弧部分及其两端的棱线部分的轮廓线抽出形成轮廓线点群；将所述的抽出的轮廓线点群中的前端圆弧部分的点群分割出来得到车刀切削刃轮廓的初始圆弧中心，从而得到车刀切削刃轮廓的圆弧上每一点的轮廓度误差；将车刀的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定；根据轮廓度误差和圆弧上每一点的位置信息，驱动车刀旋转及研磨轮进给对车刀的圆弧刃进行加工。采用本方法实现了圆弧刃金刚石车刀稳定、高效、高精度加工。

Description

高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法

技术领域

本发明涉及一种高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法，尤其涉及一种利用在线图像处理技术进行高精度圆弧刃金刚石车刀的自动研磨的方法。

背景技术

随着航空航天、能源、汽车、光电子等领域超精密加工以及非球面、自由曲面加工需求的增加，高精度圆弧刃金刚石车刀的需求逐年增大。目前，在世界范围内单晶金刚石车刀的研磨大部分仍然是由熟练技工的手工操作来完成，加工过程中，切削刃的刃型精度的确认主要是靠投影仪和显微镜以及非接触形状测定装置等的离线测量来进行，由于人为主观因素以及反复装夹造成的误差等的影响，因此很难保证被加工的金刚石车刀有稳定的刃型精度和刀面质量，生产效率也很低。从而造成了目前的单晶金刚石车刀在精度和供货周期上都远远不能满足市场的需求，目前的单晶金刚石车刀的刃型研磨的精度和效率都很难满足市场的需求。而培养一个成熟的金刚石车刀研磨技工更要花费大量财力和时间，因此造成了目前高精度金刚石车刀市场价格偏高，导致相关产业产品成本增大。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以不依赖于操作者的手工操作技能熟练程度、不需制造过程中反复拆卸测量、一次装夹即可完成整个加工过程的高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法。

本发明的高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法，它包括以下步骤：

(1)首先将金刚石车刀固定在可以旋转摆动的工作台上，并在金刚石车刀上方固定CCD相机；

(2)通过图像采集卡实时将金刚石车刀的图像以异步方式采集到计算机中，并显示在计算机屏幕上；

(3)基于灰度值变化及重归构筑的过滤方法，以亚像素精度将金刚石车刀前端需加工的圆弧部分及其两端的棱线部分的轮廓线抽出形成轮廓线点群；

(4)通过多边形近似方法将所述的抽出的轮廓线点群中的前端圆弧部分的点群分割出来，利用所述的前端圆弧部分的点群基于最小二乘法得到车刀切削刃轮廓的初始圆弧中心，然后将切削刃的轮廓圆弧上每一点到初始圆弧中心的距离值与设定的半径值比较，从而得到车刀切削刃轮廓的圆弧上每一点的轮廓度误差；

(5)将车刀的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定；

(6)根据从所述的步骤(4)中得到的轮廓度误差和圆弧上每一点的位置信息，驱动车刀旋转及研磨轮进给对车刀的圆弧刃进行加工；

(7)重复所述的步骤(2)～(6)，直至车刀的刃型精度达到设定的数值，程序自动停止，整个圆弧刃金刚石车刀加工结束。

进一步地，所述的步骤(6)中对车刀的圆弧刃加工步骤依次包括粗、精加工阶段，在粗加工阶段，研磨进给量正比例于轮廓度误差，在精加工阶段，车刀摆动速度反比例于轮廓度误差。

与传统的手工操作制造方法相比，本发明的有益效果在于：金刚石毛坯装夹后可一次加工成型，中途不需要拆卸测量，这样就避免了二次装夹的误差对金刚石车刀刃型精度的影响。同时由于可以在线测量，这样就可以有选择的对切削刃进行研磨修整，有助于快速去除由于金刚石各向异性造成的去除量不同而导致的刃型误差，因此能够大幅度提高圆弧刃金刚石车刀研磨的效率和刃型精度。另外由于全程采用了机械装夹和自动研磨，消除了原来手工操作研磨的由于操作的主观因素造成的不稳定，能够实现圆弧刃金刚石车刀稳定、高效、高精度加工。

附图说明

图1是应用本发明高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法的加工装置示意图；

图2-4是待加工的车刀的结构示意图；

图5是采用本发明方法加工完毕的车刀的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明方法是针对目前高精度圆弧刃金刚石车刀的制造主要是依靠手工操作，造成生产周期过长、高精度无法稳定获得，难以满足市场的需求的现状，利用在线图像测量并反馈驱动车刀装夹装置及研磨盘(或研磨轮)的方法，实现圆弧刃金刚石车刀的高效自动研磨，获得高精度的圆弧刃金刚石车刀。

本发明方法包括以下步骤：(1)首先将金刚石车刀固定在可以旋转摆动的工作台上，并在金刚石车刀上方固定CCD相机；(2)通过图像采集卡实时将金刚石车刀的图像以异步方式采集到计算机中，并显示在计算机屏幕上；(3)基于灰度值变化及重归构筑的过滤方法，以亚像素精度将金刚石车刀前端需加工的圆弧部分及其两端的棱线部分的轮廓线抽出形成轮廓线点群；(4)通过多边形近似方法将所述的抽出的轮廓线点群中的前端圆弧部分的点群分割出来，利用前端圆弧部分的点群基于最小二乘法得到车刀切削刃轮廓的初始圆弧中心，然后将切削刃的轮廓圆弧上每一点到初始圆弧中心的距离值与设定的半径值比较，从而得到车刀切削刃轮廓的圆弧上每一点的轮廓度误差；(5)将车刀的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定；(6)根据从所述的步骤(4)中得到的轮廓度误差和圆弧上每一点的位置信息，驱动车刀旋转及研磨轮进给对车刀的圆弧刃进行加工；(7)重复所述的步骤(2)～(6)，直至车刀的刃型精度达到设定的数值，程序自动停止，整个圆弧刃金刚石车刀加工结束。

在所述的步骤(6)中对车刀的圆弧刃加工的步骤优选的依次包括粗、精加工阶段，在所述的粗加工阶段，采用研磨进给量正比例于轮廓度误差的方法进行，有利于提高加工效率。在所述的精加工阶段采用车刀摆动速度反比例于轮廓度的方法，以提高金刚石车刀的刃型精度。

本发明方法的工作原理如图1所示：圆弧刃金刚石车刀1安装在摆动工作台8上，CCD相机2安装在车刀1上方，金刚石车刀切削刃刃型精度由CCD相机的性能、控制系统的精度、带动金刚石车刀摆动的工作台及带动研磨轮进给的工作台的精度决定。图像采集卡3读取CCD相机的输出图像信息并将所述的图像信息传递给计算机4，计算机4通过基于灰度值变化及重归构筑的过滤的方法，以亚像素精度将金刚石车刀前端需加工的圆弧部分及其两端棱线部分的轮廓线抽出形成轮廓线点群；通过多边形近似方法将需加工的前端圆弧部分点群分割出来，利用这部分点群基于最小二乘法得到车刀切削刃轮廓的初始圆弧中心，然后将切削刃的轮廓圆弧上每一点到初始圆弧中心的距离值与设定的半径值比较，从而得到切削刃的轮廓的圆弧每一点的轮廓度误差；根据轮廓度误差和圆弧上每一点的位置信息，计算机4发出控制信号给控制卡5，控制卡5将控制信号进行模数信号转化后分别输出给XZ工作台6和摆动工作台8上的伺服电机，伺服电机驱动车刀旋转及研磨轮7进给对所述的车刀的圆弧刃进行加工。

本发明方法适用使用未研磨(多边形)、研磨后(圆弧形)、损坏(复杂不定形状)的车刀进行初始加工、精度提高以及再修整等过程。在进行金刚石车刀的初始安装时，一定要进行研磨系统的摆动中心和金刚石车刀的初始中心的对正工作，这样才能保证以较小的去除量实现较高的刃型精度。

本发明的方法克服了目前国际上制造高精度圆弧刃金刚石车刀只能依靠手工操作，并且加工过程中需多次离线测量的缺点，通过图像处理的方法在线获得切削刃的信息，并利用获得的信息对金刚石切削刃进行实时修正，实现了一次装夹即可完成高精度圆弧刃金刚石车刀的制造。

实施例1

通过本发明方法进行已初步成型(粗加工过)的金刚石刀具基于在线图像处理制备高精度圆弧刃金刚石车刀(R0.2mm)，具体加工过程如下：

(1)选取刀尖半径约为0.205mm左右的经过粗加工的金刚石车刀，其尖端圆弧刃形状已初步形成，如图2所示，将其安装在摆动工作台8上(参见图1)；

(2)完成图像采集卡、控制卡等部分的初始化工作，并将刀具切削刃的目标轮廓精度设置为0.1μm；

(3)启动图像处理系统，对刀具前端进行图像测量，采用前述的图像处理方法得到切削刃的轮廓，并采用多边形近似方法将前端圆弧部分分割出来，得到切削刃的初始(近似)圆弧中心；

(4)将刀具毛坯1前端的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定，驱动摆动工作台和进给工作台对金刚石车刀的圆弧刃进行研磨；

(5)研磨轮的转速设定为500rpm，摆动工作台的初始研磨速度设定为2°/秒，研磨过程中控制车刀摆动速度反比例于轮廓度误差，自动研磨加工40分钟圆弧刃轮廓度达到设定值0.1μm后程序停止，从而获得刀尖直径为0.2mm、圆弧刃轮廓精度为0.1μm的金刚石车刀。(参见图5)

实施例2

通过本发明方法对金刚石车刀毛坯(未加工，多边形)基于在线图像处理制备高精度圆弧刃金刚石车刀(R0.2mm)，具体加工过程如下：

(1)选取刀尖未经加工的金刚石车刀毛坯1，其尖端形状如图3所示。安装在摆动工作台8上(参见图1)；

(2)完成图像采集卡、控制卡等各部分的初始化工作，并将刀具切削刃的目标轮廓精度设置为0.1μm；

(3)启动图像处理系统，对刀具前端进行图像测量。采用前述的图像处理方法得到切削刃的轮廓，并将采集的刀具前端图像切削刃轮廓线多边形适当缩小后，可将多边形作为圆弧分割出来，并得到前端切削刃的初始近似圆弧中心。在本例中缩小5倍后，可得到多边形切削刃的近似圆弧中心；

(4)将刀具毛坯1前端的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定，驱动摆动工作台和进给工作台对金刚石车刀的圆弧刃进行研磨；

(5)由于刀具圆弧刃的轮廓度误差比较大，为提高加工精度和效率，将加工过程分为粗加工和精加工两个阶段。首先进行金刚石车刀的粗加工。设定研磨轮的转速为500rpm，粗加工阶段采用研磨进给量正比例于轮廓度误差的方法进行，即在不同误差的位置研磨轮的进给量大小设定为该误差值乘以一固定的系数K，在本次加工中K设定为0.5。圆弧刃轮廓度误差到1μm时，控制程序自动转到精加工阶段；

(6)在精加工阶段，研磨轮的转速设定为500rpm，摆动工作台的初始研磨速度设定为2°/秒，研磨过程中控制车刀摆动速度反比例于轮廓度误差，自动研磨加工40分钟圆弧刃轮廓度达到设定值0.1μm后程序停止。从而获得刀尖直径为0.2mm、圆弧刃轮廓精度为0.1μm的金刚石车刀。

实施例3

通过本发明方法对使用过的破损金刚石车刀(形状不定)基于在线图像处理制备高精度圆弧刃金刚石车刀(R0.5mm)，具体加工过程如下：

(1)选取切削刃发生破损需修整的金刚石车刀1，其尖端形状如图4所示。安装在摆动工作台8上(参见图1)；

(2)完成图像采集卡、控制卡等各部分的初始化工作，并将刀具切削刃的目标轮廓精度设置为0.1μm；

(3)启动图像处理系统，对刀具前端进行图像测量。采用前述的图像处理方法得到切削刃的轮廓，和实施例2类似，并将采集的刀具前端图像根据切削刃轮廓线多边形适当缩小后，可将多边形作为圆弧分割出来，并得到前端切削刃的初始近似圆弧中心。在本例中缩小8倍后，可得到多边形切削刃的近似圆弧中心及前端近似圆弧刃的范围(角度)，根据得到的角度将前端图像复原成原来大小后，重新对前端切削刃轮廓线进行提取，并利用得到的前端点群数据，基于最小二乘法进行圆弧模拟。从而更精确得到圆弧刃的初始圆弧中心及轮廓度误差；

(4)将刀具毛坯1前端的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定，驱动摆动工作台和进给工作台对金刚石车刀的圆弧刃进行研磨；

(5)由于刀具圆弧刃的轮廓度误差比较大，为提高加工精度和效率，将加工过程分为粗加工和精加工两个阶段。首先进行金刚石车刀的粗加工。设定研磨轮的转速为500rpm，粗加工阶段采用研磨进给量正比例于轮廓度误差的方法进行，即在不同误差的位置研磨轮的进给量大小设定为该误差值乘以一固定的系数K，在本次加工中K设定为0.5。圆弧刃轮廓度误差到1μm时，控制程序自动转到精加工阶段；

(6)在精加工阶段，研磨轮的转速设定为500rpm，摆动工作台的初始研磨速度设定为2°/秒，研磨过程中控制车刀摆动速度反比例于轮廓度误差，自动研磨加工40分钟后获得刀尖直径为0.2mm、圆弧刃轮廓精度为0.1μm的金刚石车刀。

Claims (2)

1.高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)首先将金刚石车刀固定在可以旋转摆动的工作台上，并在金刚石车刀上方固定CCD相机；

(2)通过图像采集卡实时将金刚石车刀的图像以异步方式采集到计算机中，并显示在计算机屏幕上；

(3)基于灰度值变化及重归构筑的过滤方法，以亚像素精度将金刚石车刀前端需加工的圆弧部分及其两端的棱线部分的轮廓线抽出形成轮廓线点群；

(4)通过多边形近似方法将所述的抽出的轮廓线点群中的前端圆弧部分的点群分割出来，利用前端圆弧部分的点群基于最小二乘法得到车刀切削刃轮廓的初始圆弧中心，然后将切削刃的轮廓圆弧上每一点到初始圆弧中心的距离值与设定的半径值比较，从而得到车刀切削刃轮廓的圆弧上每一点的轮廓度误差；

(5)将车刀的初始圆弧中心调整到和研磨系统的旋转中心重合后固定；

(6)根据从所述的步骤(4)中得到的轮廓度误差和圆弧上每一点的位置信息，驱动车刀旋转及研磨轮进给对车刀的圆弧刃进行加工；

(7)重复所述的步骤(2)～(6)，直至车刀的刃型精度达到设定的数值，程序自动停止，整个圆弧刃金刚石车刀加工结束。

2.根据权利要求1所述的高精度圆弧刃金刚石车刀制备方法，其特征在于：所述的步骤(6)中对车刀的圆弧刃加工步骤依次包括粗、精加工阶段，在粗加工阶段，研磨进给量正比例于轮廓度误差，在精加工阶段，车刀摆动速度反比例于轮廓度误差。

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