CN101862868B - 一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，包括以下步骤：设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向，同时设定主轴标准值；装夹工件毛坯后先用外圆车刀粗车一次外壁；换圆形车刀按X方向切削一层直到绳槽边缘，并留下0.2～2mm的余量；在Z方向上进刀，直到切削到绳槽底径位置，并留下0.2-2mm的余量；从绳槽圆弧的一侧定点开始精加工，每加工完一刀后根据加工方向，将当前Z坐标加上或减去精加工每刀偏移量得到下一刀加工起点的Z坐标，直至加工到绳槽的另一侧顶点，得到所述的卷筒绳槽。本发明加工效率高，精确度、成品率大大提高。

Description

一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法

技术领域

本发明涉及一种卷筒绳槽加工制造方法，特别是一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法。

背景技术

港口集装箱起重机的生产过程中的一个关键工序就是大型卷筒绳槽的加工。例如，上海振华港机的港口集装箱起重机目前占全球市场份额的70％，05年完成23亿美金销售收入，但仍供不应求。目前振华港机有近20台大型普通车床几乎是一年365天24小时不停地在加工，其产量仍不能满足需求，多达30～40％的绳槽加工任务需要外协。如图1所示，卷筒绳槽其实质上是一种异型螺纹，这种螺纹的截面形状是三段圆弧相切组成，即：在一个螺距宽度的范围内，整个螺纹截面底部是一个较大的圆弧，在圆弧两端高处和卷筒表面衔接部分分别是两段较小圆弧，小圆弧一端和大圆弧相切，另一端和卷筒表面相切。这种卷筒用于卷绕大型起吊设备的钢缆，钢缆的截面是圆形，因此对应绳槽的底部形状显然应该是圆弧；同时为了防止钢缆在受力时碰到尖锐物体磨坏，绳槽顶端和卷筒表面连接部分用圆弧倒角平滑过渡。根据经验，卷筒绳槽的加工用成形刀是不可能完成的，而传统的手工车削绳槽螺纹的加工方法是用R圆弧形车刀，靠人工通过小拖板架刀，从头至尾车一次螺纹，向左或者右架一刀，再车一次螺纹，直至把圆弧螺纹的形状全部车削出来，车削过程中需要不断地用样板卡量，以校正架刀的量。车削一个完整的螺纹，需要架刀多达150次至200次，缺点是效率低、危险性高、精度差，而且废品率较高，增加了制造成本。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法。

技术方案：本发明公开了一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，包括以下步骤：

步骤(1)，设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向；

步骤(2)，装夹工件毛坯后先用外圆车刀粗车一次工件毛坯外壁，使得工件毛坯在全长范围内工件毛坯的卷筒外径公差在0.5毫米以内；

步骤(3)，换圆形车刀。

步骤(4)，首先将机床退回原点，然后开始对刀，以圆形车刀片的前端碰到卷筒毛坯表壁处的X坐标为X方向加工原点，在卷筒表壁上测量出需要加工的Z向范围，并以靠近车床尾架那一侧的起点作为Z方向加工原点，将车刀移动到所述X方向和Z方向原点构成的起始点；

步骤(5)，将车刀按X方向切削一层直到绳槽边缘，并留下加工的余量，根据加工经验此余量通常设置在0.5～1mm左右；

步骤(6)，在Z方向上进刀，并重复步骤(4)，直到切削到绳槽底径位置，并留下加工的余量，根据加工经验此余量通常设置在0.5～1mm左右；

步骤(7)，从绳槽圆弧的一侧定点开始精加工，每加工完一刀后，返回步骤(4)所述起始点，然后根据加工方向，将当前Z坐标加上或减去(如果从正向往负向加工则减，如果从负向往正向加工则加)精加工每刀偏移量得到下一刀加工起点的Z坐标，根据加工经验此精加工偏移量一般在0.2-0.6mm左右；在得到每一刀的Z坐标后，根据车刀圆心和绳槽圆心的距离以及过车刀圆心的水平线和过绳槽圆心的竖直线距离直角三角形，计算新的Z位置的X向深度，以此坐标开始新一刀的加工；

步骤(8)，重复步骤(7)，沿绳槽底部曲线直至加工到绳槽的另一侧顶点，得到所述的卷筒绳槽。

本发明步骤(1)中，以主轴编码器零点信号为触发标志，将主轴以一个标准速度旋转一圈的时间设定为标准值。如果实际加工时主轴速度和标准速度不一致，那么可以通过实际速度与标准速度的比值和标准时间值得到实际旋转一圈所需时间，进一步可以得到实际旋转一个角度所需时间，通过控制主轴运动时间控制主轴的旋转角度。例如以S(rpm)的转速为标准转速，那么以这个标准转速旋转一圈需耗时T(s)，将时间T设定为标准时间。如果实际加工中的主轴转速为A(rpm)，那么实际旋转一圈所需时间为A*T/S，旋转30度角所需时间为(30/360)*(A*T/S)。

本发明步骤(6)中，每层新深度第一刀分两次到达目标深度。

本发明使用了所谓包络法加工卷筒绳槽，即装夹完成后，先用圆形车刀一层一层粗车出绳槽底径形状，保留一定的余量，再经过精加工步骤用圆形车刀去掉余量，包络出精确的绳槽形状。

有益效果：由于采用本发明方法加工卷筒绳槽，整个加工工艺过程大大简化，操作方便度和可靠性大大提升。可以很方便的设定和加工任意螺距的螺纹，可以很方便的加工任意图纸要求的圆弧、倒角半径的绳槽，可以根据加工工艺随时调整粗加工的余量、X/Z方向的每次进给量，根据加工光洁度的要求方便的调整精加工的步进量。不再需要人工拿样板卡，主轴不再需要频繁正反转，操作人员也不再需要频繁操作机床，无论是加工效率还是加工精度都得到了很大的提高，同时也减轻了工人的劳动强度。原来经验丰富的操作师傅采用传统加工方式加工时间为11小时左右，采用这种数字化数控机床加工只需要5.5～6个小时，加工效率提高近100％，经检验，加工的圆弧面形状、螺距、顶部倒角完全合格，加工光洁度比传统加工方式提高了一个等级，加工精度比原来也有显著提高，并且操作简单、方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明中所需加工的卷筒绳槽截面示意图。

图2为本发明中卷筒绳槽截面标注图。

图3为本发明中卷筒绳槽截面公式计算标注图。

图4为本发明中初步加工示意图。

图5为本发明中车刀按X方向切削一层后示意图，

图6为本发明中刀切削到绳槽底径位置示意图。

图7为本发明中粗加工后留有一定的加工余量的示意图。

图8为本发明中两段小圆弧加工示意图。

图9为本发明中底部大圆弧加工示意图。

具体实施方式：

本发明公开了一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，包括以下步骤：

步骤1，设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向；

步骤2，装夹工件毛坯后先用外圆车刀粗车一次外壁；保证全长范围内卷筒外径公差在0.5毫米以内。

步骤3，换圆形车刀，本发明根据图纸将卷筒的绳槽螺距、槽深、大圆半径、倒角半径、起头偏移角度、导入段长度等形状参数和粗、精加工转速、X方向每层深入量、Z方向每层深入量、精加工每刀进给量等加工参数填入CAM软件，生成粗、精加工代码文件。X方向每层深入量、Z方向每次进给量、主轴转速等加工参数的选取需要根据各种加工条件综合选择，例如：X方向每层深入量和Z方向每次进给量如果小了则加工时间长效率低，如果大了则容易损坏刀片；精加工每刀进给量如果小了则加工时间长效率低，如果大了则每一刀切削时切削量加大且产品表壁粗糙；主轴转速如果小了则加工时间长效率低，如果大了则刀片切削负荷显著加大，为保证螺距一致拖板运行速度会加快。因此各项加工参数需要根据刀具、材料材质、加工工艺等综合确定，达到最佳加工效率。

步骤4，首先将机床回原点，然后开始对刀，以圆形车刀片的前端碰到卷筒毛坯表壁处的X坐标为X方向加工原点，根据加工图纸标明的卷筒绳槽要求长度尺寸，用卷尺在卷筒表壁上大致测量出需要加工的Z向范围，并以靠近车床尾架那一侧的起点作为Z方向加工原点，将车刀移动到所述起始点；Z方向的起点要求不是很精确，只要能留出足够的长度加工出所需要的绳槽数量即可。

步骤5，车刀按X方向切削一层直到绳槽边缘，并留下加工余量；调用粗加工文件，进行粗加工。主轴按设定好的粗加工转速旋转，车刀按X方向每层深入量一层层深入，直到绳槽底径位置，并留下余量。

步骤6，在Z方向上进刀，并重复步骤4，直到切削到绳槽底径位置，并留下加工余量，根据加工经验此余量通常设置在0.5～1mm左右；进入每一层新深度时的第一刀和其余刀加工条件是不同的，由于新一层深度是为经过加工的完整表面，刀片在表面上车削时整个前端小半圆都在受力，如果吃刀量过大则很容易损伤刀片，而从第二刀开始，每刀都在上一刀位置偏移一点，刀片只有半个前端小半圆受力。显然不能为了第一刀不损坏刀片而整体减小吃刀深度，因此采用每层新深度第一刀分两次到达目标深度，然后开始后续偏移。

步骤7，从绳槽圆弧的一侧定点开始精加工，每加工完一刀后，返回步骤4所述起始点，然后根据加工方向，将当前Z坐标加上或减去(如果从正向往负向加工则减，如果从负向往正向加工则加)精加工每刀偏移量得到下一刀加工起点的Z坐标，根据加工经验此精加工偏移量一般在0.2～0.6mm左右；在得到每一刀的Z坐标后，根据车刀圆心和绳槽圆心的距离以及过车刀圆心的水平线和过绳槽圆心的竖直线距离直角三角形，计算新的Z位置的X向深度，以此坐标开始新一刀的加工；

步骤8，重复步骤7，沿绳槽底部曲线直至加工到绳槽的另一侧顶点，得到所述的卷筒绳槽。该步骤调用精加工文件，进行精加工。主轴按设定好的精加工转速旋转，沿绳槽底径的表壁一点点去除余量，完成精加工后得到成品。由于绳槽的圆心角在往绳槽底径深度移动时逐渐减小，Z的变化速度会快于X变化速度，因此同样的Z变化量在绳槽底径处X的变化量会比较缓慢，容易得到比较平滑的绳槽底部。

更具体地说，本发明中的计算方法特别是步骤7中利用直角三角形的计算创新其核心步骤如下：设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向。设卷筒总长为L，螺距为P，绳槽螺纹总数为N，截面底部大圆弧半径R，绳槽槽深H，倒角小圆弧半径r，倒角小圆弧圆心到螺距宽度边缘距离为A，截面如图2所示，。

(1)可以得出，L＝P*N；

(2)截面形状符合如下公式：(R+r)^2＝(W/2-A)^2+(R-H+r)^2；

这是一个直角三角形的勾股定理公式，具体表现如图3所示。在实际使用中需要填入待加工卷筒的卷筒总长L，螺距P，截面底部大圆弧半径R，绳槽槽深H，倒角小圆弧半径r就可以算出完整的形状。

(3)由于整个绳槽形状的切削量很大，不可能按普通螺纹的加工方法一刀进给到位然后主轴旋转车床拖板以一定速度运行。结合实际车削采用的车刀刀片的形状为一个圆形，这里采用一种“外形包络”的方法分多次加工出一个完整绳槽形状。而控制车刀刀片的位置实际上就是控制这个刀片圆心的位置，设车刀刀片半径值为DR。

(4)本发明中，当车刀处于倒角小圆弧段时，以左边为例，由于刀片圆形和倒角小圆弧始终相切，刀片圆心点、倒角小圆弧圆心点、从刀片圆心沿垂直于工件截面水平表面的方向作延长线和从倒角小圆弧圆心点沿水平于工件截面水平表面的方向作延长线的交点，这三个点构成一个直角三角形。刀片圆心距离与倒角小圆弧的圆心距离始终是(r+DR)，这个值构成直角三角形的斜边长，设刀片圆心X位置为X1、Z位置为Z1，倒角小圆弧圆心X位置为X2、Z位置为Z2，那么有(X1-X2)^2+(Z1-Z2)^2＝(r+DR)^2，如图8所示。

当车刀处于大圆弧段时，以左边为例，由于刀片圆形和大圆弧始终相切，刀片圆心点、大圆弧圆心点、从刀片圆心沿水平于工件截面水平表面的方向作延长线和从大圆弧圆心点沿垂直于工件截面水平表面的方向作延长线的交点，这三个点构成一个直角三角形。刀片圆心距离大圆弧的圆心距离始终是(R-DR)，这个值构成直角三角形的斜边长，设刀片圆心X位置为X1、Z位置为Z1，大圆弧圆心X位置为X2、Z位置为Z2，那么有(X1-X2)^2+(Z1-Z2)^2＝(R-DR)^2，如图9所示。

(5)加工工艺把加工工程分为“粗加工”和“精加工”两个步骤。

首先是粗加工步骤：由于这种车刀每一次下刀的车削量或者说每刀加工深度都是有要求的，太多则刀片发热损坏，太少则加工效率低下。显然这个加工深度小于车刀刀片半径，因此每刀在工件表面留下一个小半圆形的车削痕迹，如图4所示。

每加工一刀，下一刀车刀的下刀位置均匀向旁边偏移一定距离，设这个“均匀移动的距离”值为CuEachZ，则刀片圆心的Z值加上这个值。这个距离要小于被切削掉的小半圆形的弦长，若干刀后，可以切削掉“一层”工件，如图5所示。

如此类推，当加工完一层之后，刀具进刀到下一层，设这个“两层间的进刀量”值为CuEachX，则刀片圆心的X值加上这个值为下一层加工车刀深度。由于绳槽表面是圆弧，根据(4)所描述公式，新一层的第一刀在车刀X向深入时很显然Z向位置会向绳槽圆心方向稍微缩进一些，具体根据公式计算：刀片圆心距离大圆弧的圆心距离始终是(R-DR)，这个值构成直角三角形的斜边长，设刀片圆心X位置为X1、Z位置为Z1，大圆弧圆心X位置为X2、Z位置为Z2，那么有(X1-X2)^2+(Z1-Z2)^2＝(R-DR)^2。

重复多次，直到车刀到达绳槽底径并留下粗加工余量之后，可以大致的用车刀刀片外圆形状“包络”出一个近似绳槽的小半圆形状，如图6所示。

实际加工时，每一层的最后一刀不大可能都刚好和绳槽圆弧另一边相切，而且显然最后一刀到绳槽圆弧另一边的进刀值小于EachZ这个值。因此每当遇到这种不相切的情况，则主动做一个“补刀”：即在这层最后一刀加工时的进刀量为这一层所剩余的距离，这个距离大于0而小于EachZ，车刀在Z方向进刀这个剩余距离，使得最后一刀和绳槽圆弧的另一边相切。当接近绳槽圆弧底端时，同样会遇到和绳槽圆弧底相切问题，类似的用“补刀”处理，区别在于这次补刀的方向在X方向。结合所述“补刀”加工，粗加工完成后工件表面形状是比较粗糙的由若干端圆弧连接成的形状，且倒角小圆弧也没有加工，如图7所示。

然后是精加工步骤：这时从卷筒表面起，根据加工代码设定的精加工进刀量，设为JingEachZ，根据加工经验此精加工偏移量一般在0.2-0.6mm左右；以Z向为驱动，根据(2)所描述公式计算该处对应的刀片圆心X坐标值，使刀片和真正的绳槽内壁相切，精修绳槽形状。具体地说，以左半个绳槽为例：第一刀在卷筒表面，刀片圆心的X值为工件表面位置坐标加上刀片半径，刀片圆心的Z值为0；下一刀向下移动JingEachZ的距离，刀片圆心的Z值在上一刀的基础上加上JingEachZ，由(4)中所描述公式计算刀片圆心的X值；加工到右半个圆弧时，刀片圆心的Z值是上一刀刀片圆心Z位置减去JingEachZ，依此类推，直到精修出整个绳槽内壁形状。实际上这也是另一种“包络法”，仍然是用大量小圆的圆弧段拼接出一个大圆弧。调节JingEachZ这个值可以调整精加工耗时和成品工件的表面光洁度。这个值越小，则包络的刀数越多，拼接出的形状越接近大圆弧，即工件表面光洁度越好，同时加工耗时也会相应增加，可根据加工经验和工件夹工要求在0.2mm到0.6mm之间调节。

(6)设车床加工时的主轴转速为S(rpm)，则每转的时间T＝1/S(min)，设车刀拖板的进给速度为Vz(mm/min)，就有：螺距P＝Vz/S(mm)。

那么在主轴转速已知时，只要对应的控制好车刀拖板的进给速度，就可以控制加工出来的螺距。也就是说要用主轴转速控制车刀拖板的进给速度。

同时由于整个绳槽的形状需要加工很多刀，那么每一刀的进刀时间必须一致，或者说每刀的进刀点在一个圆周上的角度位置必须一致，否则就会乱牙，损坏螺纹形状。

为满足这两个要求，在主轴上装一个编码器，可以根据编码器脉冲的读数计算出主轴在一个圆周上的角度位置，根据编码器脉冲的频率计算出主轴的转速。

在卷筒工件的螺纹开始端，有一个进刀槽，车刀在这个槽之内进刀至目标深度，同时也在等待圆周上的起刀角度。当起刀角度和目标深度都到位后，车刀拖板即以计算好的速度自动向工件尾部移动，直到尾部的退刀槽，则完成一刀加工。结合前面的绳槽形状加工过程，在截面中每进一刀，均从头至尾在工件上车一刀，这样反复，最终在工件表面车削出符合要求的绳槽螺纹。

本发明提供了一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向；

步骤(2)，装夹工件毛坯后先用外圆车刀粗车一次工件毛坯外壁，使得工件毛坯在全长范围内工件毛坯的卷筒外径公差在0.5毫米以内；

步骤(3)，换圆形车刀；

步骤(4)，首先将机床退回原点，然后开始对刀，以圆形车刀片的前端碰到卷筒毛坯表壁处的X坐标为X方向加工原点，在卷筒表壁上测量出需要加工的Z向范围，并以靠近车床尾架那一侧的起点作为Z方向加工原点，将车刀移动到所述X方向和Z方向原点构成的起始点；

步骤(5)，将车刀按X方向切削一层直到绳槽边缘，并留下0.5～1mm的加工余量；

步骤(6)，在Z方向上进刀，并重复步骤(4)，直到切削到绳槽底径位置，并留下0.5～1mm的加工余量；

步骤(7)，从绳槽圆弧的一侧定点开始精加工：即每加工完一刀后，返回步骤(4)所述起始点，然后根据加工方向，如果从正向往负向加工则将当前Z坐标减去精加工每刀偏移量得到下一刀加工起点的Z坐标，如果从负向往正向加工则将当前Z坐标加上精加工每刀偏移量得到下一刀加工起点的Z坐标；所述精加工每刀偏移量为0.2～0.6mm；在得到每一刀的Z坐标后，根据车刀圆心和绳槽圆心的距离以及过车刀圆心的水平线和过绳槽圆心的竖直线距离构成的直角三角形，计算新的Z坐标位置的X向坐标，以此坐标开始新一刀的加工；

设垂直于工件截面水平表面的方向为X向，平行于工件截面水平表面的方向为Z向，设卷筒总长为L，螺距为P，绳槽螺纹总数为N，截面底部大圆弧半径R，绳槽槽深H，倒角小圆弧半径r，倒角小圆弧圆心到螺距宽度边缘距离为A；

(1)得出，L＝P*N；

(2)截面形状符合公式：(R+r)^2＝(W/2-A)^2+(R-H+r)^2；

(3)通过控制车刀刀片的位置控制刀片圆心的位置，设车刀刀片半径值为DR；

(4)当车刀处于倒角小圆弧段时，在左边的情况下，刀片圆形和倒角小圆弧始终相切，刀片圆心点、倒角小圆弧圆心点、从刀片圆心沿垂直于工件截面水平表面的方向作延长线和从倒角小圆弧圆心点沿水平于工件截面水平表面的方向作延长线的交点，这三个点构成一个直角三角形；刀片圆心距离与倒角小圆弧的圆心距离始终是(r+DR)，这个值构成直角三角形的斜边长，设刀片圆心X位置为X1、Z位置为Z1，倒角小圆弧圆心X位置为X2、Z位置为Z2，那么有(X1-X2)^2+(Z1-Z2)^2＝(r+DR)^2；

当车刀处于大圆弧段时，在左边的情况下，刀片圆形和大圆弧始终相切，刀片圆心点、大圆弧圆心点、从刀片圆心沿水平于工件截面水平表面的方向作延长线和从大圆弧圆心点沿垂直于工件截面水平表面的方向作延长线的交点，这三个点构成一个直角三角形；刀片圆心距离大圆弧的圆心距离始终是(R-DR)，这个值构成直角三角形的斜边长，设刀片圆心X位置为X1、Z位置为Z1，大圆弧圆心X位置为X2、Z位置为Z2，那么有(X1-X2)^2+(Z1-Z2)^2＝(R-DR)^2；

步骤(8)，重复步骤(7)，沿绳槽底部曲线直至加工到绳槽的另一侧顶点，得到所述的卷筒绳槽。

2.根据权利要求1所述的一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，其特征在于，步骤(1)中包括设定主轴标准值，即以主轴编码器零点信号为触发标志，将主轴以一个标准速度旋转一圈的时间设定为标准值。

3.根据权利要求1所述的一种使用数控机床加工卷筒绳槽的方法，其特征在于，步骤(6)中，每层新深度第一刀分两次到达目标深度。