CN102126056A - 车铣加工中心xzc三轴联动铣螺纹法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法，主要解决现有加工大型回转体件分度圆大直径螺纹孔时，需转到落地镗铣工序二次加工，并由此带来重新安卡、定位等问题；该方法是将大型回转体工件的中心与车铣加工中心工作台的回转中心调整一致后安夹，按图纸上螺孔位置尺寸分别以工件表面相应点为起始点，使用动力头安装螺纹铣刀进行X轴、Z轴直线运动，工作台带动工件进行C轴回转摆角运动，XZC三轴配合进行插补联动铣削，形成螺旋线形的运动轨迹，加工出回转体工件上各大直径螺纹。基本实现大型回转类工件在一台车铣加工中心上，就能完成包括工件分度圆上大直径螺纹孔铣削内容的全序加工，且加工精度高、制造成本低、生产效率高。

Description

车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种在大型立、卧车铣加工中心上，铣削大型回转件分度圆上螺纹孔的工艺方法。

背景技术

目前，在车铣加工中心上加工大型回转体件时，其端面分度圆上小直径螺纹孔（M24以下）的加工，通常是工作台C轴回转相应角度，X轴同时快速移动到位，动力头Z轴进给可直接钻孔、攻丝完成。但是，如果遇到其分度圆上大直径螺纹孔（M24以上）的加工时，由于受动力头的功率限制，附件主轴扭矩达不到足够大，很难按常规方法直接钻孔、攻丝完成，通常是将工件转到其它机床——数控镗铣类机床上，进行下道工序加工，才能完成。换机床的多序加工，不但拉长了生产周期，并且涉及到工件的二次装夹、找正及定位，增加了螺孔位置的重复定位误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种在大型立、卧车铣加工中心上、一道工序即可加工完成大直径螺纹孔的方法，不涉及二次装夹、找正及定位问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法，具体包括下述步骤：

（1）将大型回转体工件的中心与车铣加工中心工作台的回转中心调整一致后安夹；

（2）按图纸上螺孔位置尺寸分别以工件表面相应点为起始点，使用动力头安装螺纹铣刀，X轴做左右往返进给直线运动，X轴直线进给速率呈正弦函数曲线循环变化，Z轴做向下进给直线运动， Z轴直线进给速率为匀速；

（3）在X、Z轴两轴联动的同时，工作台带动工件进行C轴回转摆角运动，C轴角度进给速率呈余弦函数曲线循环变化；

（4）XZC三轴配合进行插补联动铣削，获得合成的匀速螺旋线形走刀轨迹。

上述三轴配合进行插补联动铣削，获得合成的匀速螺旋线形走刀轨迹，是利用车铣加工中心运行数控程序完成的，该数控程序由人工编制或使用计算机辅助编程软件，在进行零件图样分析，确定回转体件上螺孔加工工艺基础上，对零件建模，向计算机输入各初始条件，包括：①回转体件上表面中心定义为工件编程原点；②.定义X轴、Z轴为两直线运动轴；③.定义C轴为工作台带动工件回转摆角运动轴；④.使三轴配合进行插补联动，形成螺旋线形的运动轨迹；计算机根据设定要求生成XZC三轴联动的螺纹加工轨迹，并根据实际加工状态对生成的轨迹进行裁剪、拼接等编辑处理，形成各分度圆上螺纹孔被螺纹铣刀插补铣削的加工轨迹；输入机床、刀具、切削用量等工艺参数和各种编程指令代码格式，计算机会根据已设定的螺纹铣削轨迹自动生成车铣加工中心可使用的NC程序；将生成的指令程序传输至车铣加工中心机床，将大型回转体工件安夹到机床工作台上，定位、安卡；启动XZC三轴联动程序，分别加工出回转体工件分度圆上各螺纹孔。

本实用新型具有如下有益效果：本发明方法的应用，可基本实现大型回转类工件在一台车铣加工中心上，就能完成包括工件分度圆上大直径螺纹孔铣削内容的全序加工，减少了工件加工过程中的周转次数和再次装卡、找正问题，既提高了工件加工精度，又缩短了生产周期。

附图说明

图1是实施例1大型轮毂加工示意图。

图2是实施例1的XZ两轴联动示意图。

图3是实施例1的XC两轴联动示意图。

图4是实施例1的XZC三轴联动速率变化状态图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明：车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法，包括下述步骤：

（1）零件图样分析，确定回转体件上螺孔加工工艺：

首先根据工件图纸提供的螺纹孔分布情况和形位尺寸，进行工艺分析，确定工件分度圆上各螺纹孔的加工方案，主要是分析零件上各螺孔的几何要素与技术要求，明确加工方式，确定加工次序，选择使用的车铣加工中心机床、工件夹具、螺纹铣刀型号和螺纹铣削工艺参数等，制订各大尺寸螺孔切削加工路线，确定工件基准点、参考点和螺纹铣刀走刀路线。

（2）零件图形的计算机化：

使用各种CAD软件，包括自动编程软件，如Mastercam、UG、CAXA等进行零件建模，按图纸要求将回转体件外形和待加工的各分度圆上螺纹孔转化为线架模型，供计算机识别。应注意的是：如果不采用自动编程软件本身提供的功能制作零件模型，则必须保证模型的文件格式能够被自动编程软件所接受。

前述两步骤是本领域普通技术人员熟知的常规技术，本申请完全按照常规技术要求执行。

（3）确定刀具运动轨迹：

是否能利用螺纹铣刀加工螺纹的关键是确定刀具运动轨迹，我们知道，若要实现螺纹铣刀加工螺纹，则需要螺纹铣刀的走刀轨迹为匀速的螺旋线形运动轨迹，而要获得匀速的螺旋线形运动轨迹，在车铣加工中心上则需要X、Z、C三轴联动合成该运动曲线，其中X轴为刀具水平径向直线运动轴、Z轴为刀具竖直轴向直线运动轴、C轴为工件水平绕工作台中心回转运动轴。

而三轴联动合成匀速的螺旋线形运动轨迹，具体需要各轴运动方式结合各轴运动速度协同作用才可获得；经过对合成的匀速运动轨迹为螺旋线形的运动情况进行实践和分析确定，映射到各轴的运动速率遵循以下规律： X轴直线进给速率呈正弦函数曲线循环变化，Z轴直线进给速率呈一水平恒定值，C轴角度进给速率呈余弦函数曲线循环变化；在保证上述各轴合成螺旋线运动速率为匀速的前提下，各轴运动方式遵循以下规律，X轴做左右往返进给直线运动，Z轴做向下进给直线运动， XZ两轴插补形成锯齿线联动轨迹；X轴做左右往复进给直线运动，C轴做水平绕工件中心余弦摆角往复进给运动， XC两轴插补形成圆弧联动轨迹；在X、Z、C三轴采用上述运动方式及映射的相应运动速率的情况下，最终获得合成的匀速螺旋线形走刀轨迹。

确定各轴运动速率、运动路线及方向的变化规律后，普通技术人员根据数控机床常规操控方法，选用合适的螺纹铣刀型号，向计算机输入各初始条件，包括：①将回转体件上表面中心定义为工件编程原点，即大型回转体工件的中心与车铣加工中心工作台的回转中心一致。②.定义X轴、Z轴为两直线运动轴；③.定义C轴为工作台带动工件回转摆角运动轴；④.使三轴配合进行插补联动，制定螺纹孔的起刀点、出刀点和螺旋线形走刀路线，生成XZC三轴联动的螺纹铣削轨迹，形成螺旋线形的运动轨迹。计算机根据设定要求生成XZC三轴联动的螺纹加工轨迹，根据实际加工状态对生成的轨迹进行裁剪、拼接等编辑处理，形成各分度圆上螺纹孔被螺纹铣刀插补铣削的加工轨迹。

（4）生成加工程序：

按常规输入机床即车铣加工中心、刀具即螺纹铣刀、切削用量等工艺参数和各种编程指令代码格式，输入机床电气控制系统名称和主转速等加工参数进行后置处理，计算机会根据已设定的螺纹铣削轨迹自动生成车铣加工中心所能识别的一个XZC三轴联动铣螺纹孔NC子程序，再通过坐标系平移、旋转生成其余各个螺纹孔铣削程序，最后合成螺纹孔成组铣削主程序。

（5）传输程序，完成加工：

将生成的指令程序传输至车铣加工中心机床控制单元CNC，将大型回转体工件的中心与车铣加工中心工作台的回转中心调整一致后安夹，定位、安卡。启动XZC三轴联动程序，分别加工出回转体工件分度圆上各大直径螺纹孔。

实施例1：

下面是一个使用CXK5240立式车铣加工中心加工水利能源机械常见的大型工件——轮毂，直径一般在3000～8500mm左右，其加工示意图见图1，其端面上在不同直径的分度圆上均布有M42以上的大螺纹孔。使用上述XZC三轴插补联动方式，铣削完成内圈分度圆上20个M100×4左旋螺纹加工，使用CAXA－ME软件，具体加工过程如下：

（1）进行零件的建模

首先启动编程软件，按生产用图纸要求画出草图，也可使用CAD工程图进行导入，再选择实体造型方式，通过拉伸、阵列、螺旋扫略等操作处理，完成建模。

（2）初始条件设定

加工初始条件的设定通过条件设置对话框进行，首先导入机床参数，然后将指令、程序头、程序名称、序号（在后置处理设置中）等进行设置。

（3）加工参数的设定

选择限制线加工方式，进行基本加工参数的设定。

（4）工艺参数的设定

根据编制好的加工工艺，在工艺参数设置对话框中将限制线加工参数、切削用量、进退刀方式、铣刀参数等各相应的工艺参数写入，注意选择螺纹铣刀型号。注意加工左旋螺纹，铣刀轨迹选择逆时针旋转下降，设定每旋转过四分之一圆弧，螺纹铣刀下降四分之一螺距，即1mm，一个螺距分四端四分之一圆弧组成。

（5）刀具轨迹的生成

经过检查一切无误后，点击“确定”，软件会依次询问限制线、加工起点、走刀方向等；在实体图上一一选择完毕后，生成一个XZC三轴联动的螺旋线插补轨迹，通过轨迹复制、旋转、镜向等编制操作，依次形成轮毂内圈20个M100×4左旋螺纹的加工轨迹。

（6）加工程序的生成

对生成的加工轨迹使用“轨迹仿真”功能进行模拟加工，结果正确无误后点击“应用—后置处理—生成G代码”，计算机自动生成机床能识别使用的加工程序。具体如下：

%

O1001

MSG（$ 加工轮毂上端面直径2000mm分度圆周上20-M100×4左旋深24螺纹，见图二建立工件坐标系，顶面设为Z零，刀具直径：M20×4螺纹铣刀，电气控制系统：Siemens840D $）

N010 G54 G90 G00 X1000 CO Z10;  (到达起始孔状态1位置)

N020 M03 S200;                  (动力头正转)

N030 G01 Z-12 F300;             (落动力头)

N040 X960;                      (到达状态2位置)

N050 X1000 C=2.86 Z-13;         (到达状态3位置)

N060 X1040 C=0 Z-14;            (到达状态4位置)

N070 X1000 C=-2.86 Z-15;        (到达状态5位置)

N080 X960 C=0 Z-16;             (到达状态6位置)

N090 X1000;                     (到达状态1位置)

N100 Z-24;                      (落动力头预备下一圈)

N110 X960;                      (到达状态2位置)

N120 X1000 C=2.86 Z-25;         (到达状态3位置)

N130 X1040 C=0 Z-26;            (到达状态4位置)

N140 X1000 C=-2.86 Z-27;        (到达状态5位置)

N150 X960 C=0 Z-28;             (到达状态6位置)

N160 X1000;                     (到达状态1位置)

N170 G0 Z10;                    (快速提起动力头)

N180 G1 C=18;                   (到下一孔)

N190 GOTO N30                  （重复螺旋铣削）

……                             ……

……                            ……

N920 G28 Z0;                   （动力头回到机械零点）

N930 M05　　　　　　　　　　　 （动力头停止转动）

N940 M30　　　　　　　　　　　 （程序结束）

%

上例各螺纹孔在分度圆上是均匀等分，且数值较齐整，切削一圈完整螺距，可分为如图3状态1～6的六状态位置铣削过程，根据以回转体件上端面回转中心为编程原点，使用动力头安装硬质合金螺纹铣刀进行X轴、Z轴直线运动，工作台带动工件进行C轴回转摆角运动， 三轴配合进行插补联动铣削的编程方法，清晰掌握螺纹铣削的六状态位置，就可进行手工编制出螺旋线形的运动轨迹的分段加工编程，而省去使用计算机辅助编程软件进行建模的过程。手工编程还可以方便的置入各种条件判断语句、跳转语句，减少一些重复的语句，从而缩短程序段。但要做模拟仿真加工，则不能省去建模、后置处理过程，则必需借助辅助编程软件（如Mastercam、UG、CAXA等）。

下面是引入条件判断语句IF和跳转语句GOTO后，手工编制完整程序：

%

O1001

MSG（$ 加工轮毂上端面直径2000mm分度圆周上20-M100×4左旋深24螺纹，见图二建立工件坐标系，顶面设为Z零，刀具直径：M20×4螺纹铣刀，电气控制系统：Siemens840D $）

N005 R1=0;                      (R1参数初始赋值)

N010 G54 G90 G00 X1000 CO Z10;  (到达状态1位置)

N020 M03 S200;                  (动力头正转)

N030 G01 Z-12 F300;             (落动力头)

N040 X960;                      (到达状态2位置)

N050 X1000 C=R1+2.86 Z-13;      (到达状态3位置)

N060 X1040 C=R1 Z-14;           (到达状态4位置)

N070 X1000 C=R1-2.86 Z-15;      (到达状态5位置)

N080 X960 C=R1 Z-16;            (到达状态6位置)

N090 X1000;                     (到达状态1位置)

N100 Z-24;                      (落动力头)

N110 X960;                      (到达状态2位置)

N120 X1000 C=R1+2.86 Z-25;      (到达状态3位置)

N130 X1040 C=R1 Z-26;           (到达状态4位置)

N140 X1000 C=R1-2.86 Z-27;      (到达状态5位置)

N150 X960 C=R1 Z-28;            (到达状态6位置)

N160 X1000;                     (到达状态1位置)

N170 G0 Z10;                    (快速提起动力头)

N180 R1=R1+18;                  (R1参数累计赋值)

N190 IF R1>=360 GOTO N220;     (判断R1参数是否超出360)

N200 G1 C=R1;                   (到下一孔)

N210 GOTO N30;                  (返回到N30)

N220 G28 Z0;                   （动力头回到机械零点）

N230 M05　　　　　　　　　　　 （动力头停止转动）

N240 M30　　　　　　　　　　　 （程序结束）

%

（7）通过U盘或采用DNC加工模式将程序传输给车铣加工中心机床， 完成螺纹三轴联动

铣削程序的准备工作，然后将轮毂吊置到车铣加工中心工作台上，调整轮毂回转中心与工作台的回转中心一致后安卡，滑枕刀座处安装铣削动力头，并安夹M20×4硬质合金螺纹铣刀，由动力头带动安装的硬质合金螺纹铣刀进行X轴直线反复运动、Z轴直线单向运动XZ两轴联动结果见图2；工作台带动工件进行C轴回转摆角反复运动，XC两轴联动结果见图3，三轴通过不同进给速率配合进行插补联动铣削，具体三轴联动速率变化见图4，形成螺旋线形的运动轨迹，加工出轮毂上端面上各大直径螺纹孔。

对本发明所述的技术方案能够做出如下效益评价：

节省工时费：XZC三轴联动插补铣削法，使大型回转件由原来的经过车铣加工中心、划线钳工、数控镗铣床多工序完成，实现为单台机床的全序加工完成，节省了工件周转、二次安夹、重复找正定位等辅助工时约3小时/件。按该类大型回转体件年产1500件，工件小时单价18元计算，年可节省工时费18元/小时×3小时/件×1500件＝8.1万元；

节省人工费：节省数控镗工1人5万元，划线钳工1人5万元，吊装工0.5人2万元， 行车工0.5人2万元，节省人工费共计14万元；

直接经济效益：8.1万元＋14万元＝22.1万元。

社会效益：

螺纹孔XZC三轴联动插补铣削法应用在大型立、卧车铣加工中心上，减少了大型回转体工件加工的多次吊转、多次安夹及找正定位，不但解决了单台机床的全序加工问题，也为大型工件的生产线加工提供了便捷条件，节省生产投入资金的同时，提高了工件加工精度和生产效率，提高了工程制造业大型回转体类零部件机械加工的产能建设。

Claims (2)

1. 车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法，具体包括下述步骤：

（1）将大型回转体工件的中心与车铣加工中心工作台的回转中心调整一致后安夹；

（2）按图纸上螺孔位置尺寸分别以工件表面相应点为起始点，使用动力头安装螺纹铣刀，X轴做左右往返进给直线运动，Z轴做向下进给直线运动，X轴直线进给速率呈正弦函数曲线循环变化，Z轴直线进给速率为匀速；

（3）在X、Z轴两轴联动的同时，工作台带动工件进行C轴回转摆角运动，C轴角度进给速率呈余弦函数曲线循环变化；

（4）XZC三轴配合进行插补联动铣削，获得合成的匀速螺旋线形走刀轨迹。

2.根据权利要求1所述的车铣加工中心XZC三轴联动铣螺纹法，其特征在于：上述三轴配合进行插补联动铣削，形成螺旋线形的合成运动轨迹是利用车铣加工中心运行数控程序完成的，该数控程序由人工编制或使用计算机辅助编程软件，在进行零件图样分析，确定回转体件上螺孔加工工艺基础上，对零件建模，向计算机输入各初始条件，包括：①回转体件上表面中心定义为工件编程原点；②.定义X轴、Z轴为两直线运动轴；③.定义C轴为工作台带动工件回转摆角运动轴；④.使三轴配合进行插补联动，形成螺旋线形的运动轨迹；计算机根据设定要求生成XZC三轴联动的螺纹加工轨迹，并根据实际加工状态对生成的轨迹进行裁剪、拼接等编辑处理，形成各分度圆上螺纹孔被螺纹铣刀插补铣削的加工轨迹；输入机床、刀具、切削用量等工艺参数和各种编程指令代码格式，计算机再根据已设定的螺纹铣削轨迹自动生成车铣加工中心可使用的NC程序；将生成的指令程序传输至车铣加工中心机床，启动XZC三轴联动程序，分别加工出回转体工件分度圆上各螺纹孔。

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