CN102319921B - 可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，在机床上装夹待加工工件后，按照要求将机床主轴旋转，并验证旋转角度，按照加工要求确定刀具加工的刀位点路径，并根据不同的刀具形状，将数控程序刀位点由刀具顶点转换到刀具最低点，以及进行刀具长度变化补偿处理，而后按照分层加工要求转换刀位点，进而完成加工过程。运用该方法可以通过可倾斜主轴数控铣床实现原本普通数控铣床无法完成的加工任务，同时所需费用也较五座标加工中心大大降低。

Description

可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体为一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法。

背景技术

整体叶盘、叶轮以及整体喷嘴环等整体构件为提高产品性能提供了保障，但同时也对制造技术提出了挑战。整体构件高效高质量制造最有效的办法是数控加工，由于在加工时要受内、外缘板约束和前后叶片的遮挡，导致加工的开敞性很差，加工约束多，因此要完全完成这些整体结构件的加工必须采用可以使主轴倾斜的机床，否则就会导致有些部位不能加工。目前主轴能倾斜的数控机床仅限于五坐标加工中心，所以这些整体构件的加工必须采用五坐标加工中心设备。但是五坐标加工中心设备购买费用太高，一台需要300万～1000万元人民币，导致设备稀缺、加工费用增高，最终使产品生产成本上升。

为了降低加工成本，在普通数控铣床的基础上改造出了可倾斜主轴的数控铣床，其特点在于可以根据加工要求，在停机状态下将铣床的加工主轴倾斜，实现原本普通数控铣床无法完成的加工任务。这种可倾斜主轴数控铣床较五座标加工中心成本大大降低，但由于主轴倾斜，其中的数控加工方法与原普通数控铣床的加工方法不同，需要重新设计新的加工方法。

分层加工是在切削量较大时，为减少刀具切削力，防止刀具崩刃和断裂的加工方法，由于可倾斜主轴数控铣床的主轴在工作时不一定与机床坐标系平行，所以分层加工方法有很大区别：

(1)在数控加工中都是采用刀位点接触对刀点，普通数控系统中给出的刀位点坐标都是刀具轴线的顶端坐标，但可倾斜主轴数控铣床由于刀轴的倾斜，采用普通数控系统，会导致刀位点很难接触对刀点。

(2)在加工坐标系中，普通数控铣床刀具长度变化只涉及刀轴方向Z坐标，而可倾斜主轴数控铣床刀具长度的变化则要涉及到Z、X两个坐标。

(3)普通数控铣床只需改变加工坐标系Z坐标就可以实现分层加工，可倾斜主轴数控铣床沿主轴的移动涉及Z坐标和X坐标。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中缺乏可倾斜主轴数控铣床分层加工方法的问题，本发明提出了一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法。

技术方案

本发明的目的是要提出一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，其中包括可倾斜主轴数控铣床刀位文件后置处理、刀具长度补偿方法以及分层加工时刀位点的转换。

本发明的技术方案为：

所述一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在可倾斜主轴数控铣床上装夹待加工工件；按照加工要求将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜，并采用正弦规验证倾斜角度；

步骤2：将数控系统中的刀位点由刀具刀尖点转换为刀具最低点，转换方法为：

a、平底刀刀具最低点：

α＞0时    α＜0时

b、球头刀刀具最低点：

c、环形刀刀具最低点：

α＞0时    α＜0时

其中，x′、y′、z′为刀具最低点在加工坐标系中的坐标，x、y、z为刀具刀尖点坐标，α为可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向的倾斜角度，加工坐标系三轴方向与机床坐标系三轴方向对应平行，r_刀为刀具半径，r₁为环形刀侧刃半径；

步骤3：在数控系统中进行刀具长度补偿：

步骤a：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装标准球，并将可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使标准球接触工件，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₀，y₀，z₀)；

步骤b：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装刀具，并将可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使刀具接触工件，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₁，y₁，z₁)；

步骤c：根据步骤a和步骤b得到的坐标，确定加工坐标系中Z方向的刀具长度补偿量为|z₁-z₀|，加工坐标系中X方向的补偿量为：球头刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀)tanα；平底刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα)tanα；环形刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα+r₁/cosα-r₁)tanα；其中r_球为标准球半径；

步骤4：根据分层加工要求调整数控系统中的刀位点，调整方法为： $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′}+\mathrm{kl}\sin \mathrm{\α}\\ y^{\′\′}=y^{\′}\\ z^{\′\′}=z^{\′}+\mathrm{kl}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.,$

其中x″，y″，z″为新的刀位点坐标，l为刀具沿刀轴方向的移动距离，k为刀具移动系数，刀位点向Z正方向移动时k＝1，刀位点向Z负方向移动时k＝-1；

步骤5：按照加工要求确定刀具加工的刀位点路径；

步骤6：经过步骤2的刀位点转换、步骤3的刀具长度补偿处理以及步骤4的分层加工要求的刀位点转换后，运行可倾斜主轴数控铣床对工件进行加工，完成加工后，关闭可倾斜主轴数控铣床，根据新的加工要求再将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜，并采用正弦规验证倾斜角度，重复步骤2-步骤6，直至加工完整个工件。

所述的一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，加工完成后，刀具的抬刀过程为控制刀具沿刀轴方向后退。

有益效果

采用本方法可以实现可倾斜主轴数控铣床的分层加工，能根据不同的刀具形状，实现数控程序刀位点由刀具顶点到刀具最低点的转换和刀具长度变化补偿处理，并且能根据分层加工要求实现刀位点的转换。运用该方法可以通过可倾斜主轴数控铣床实现原本普通数控铣床无法完成的加工任务，同时所需费用也较五座标加工中心大大降低。

附图说明

图1：球头刀刀位点转换及刀长补偿处理示意图

图2：平底刀刀位点转换及刀长补偿处理示意图

图3：环形刀刀位点转换及刀长补偿处理示意图

其中，1-刀轴线，2-标准球杆轴线，3-球形刀，4-平底刀，5-环形刀。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

该实施例为对整体叶盘中的叶片进行加工，由于整体叶盘的叶片间相互遮挡，使得普通数控机床无法加工到整个叶片，而且加工成本有限，无法采用五坐标加工中心，所以采用可倾斜主轴数控铣床进行加工；在加工中因为切削量较大，为减少刀具切削力，防止刀具崩刃和断裂，所以采用分层加工方法。

步骤1：将整体叶盘装夹在可倾斜主轴数控铣床工作台面上，按照加工要求将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜，并采用正弦规验证倾斜角度。

步骤2：进行可倾斜主轴数控铣床的刀位文件后置处理，即将数控系统中的刀位点由刀具刀尖点转换为刀具最低点，并将文件格式转换为数控系统可以识别运行的文件，对于不同的刀具类型，刀位点由刀具刀尖点转换为刀具最低点的方法不同：

a、如附图2，平底刀的刀位点转换：

α＞0时    α＜0时

b、如附图1，球头刀的刀位点转换：

c、如附图3，环形刀的刀位点转换：

α＞0时    α＜0时

其中，x′、y′、z′为刀具最低点在加工坐标系中的坐标，x、y、z为刀具刀尖点，即刀轴线顶点坐标，α为可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向的倾斜角度，加工坐标系三轴方向与机床坐标系三轴方向对应平行，r_刀为刀具半径，r₁为环形刀侧刃半径。

步骤3：由于可倾斜主轴数控铣床刀具长度的变化补偿涉及到加工坐标系中Z、X两个方向的坐标，所以刀具长度改变的补偿处理方式与普通数控铣床有较大不同，具体方法为：

步骤a：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装标准球，并将可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使标准球接触待加工的叶片表面，此时接触点在加工坐标系中的Z方向坐标为0，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₀，y₀，z₀)；

步骤b：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装刀具，并将可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使刀具同样接触待加工的叶片表面，此时接触点在加工坐标系中的Z方向坐标也为0，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₁，y₁，z₁)；

步骤c：根据步骤a和步骤b得到的坐标，确定加工坐标系中Z方向的刀具长度补偿量为|z₁-z₀|，加工坐标系中X方向的补偿量按照刀具种类不同而不同，其中：球头刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀)tanα；平底刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα)tanα；环形刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα+r₁/cosα-r₁)tanα；其中r_球为标准球半径。

步骤4：根据分层加工要求调整数控系统中的刀位点，调整方法为： $\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′\′}=x^{\′}+\mathrm{kl}\sin \mathrm{\α}\\ y^{\′\′}=y^{\′}\\ z^{\′\′}=z^{\′}+\mathrm{kl}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.,$ 其中x″，y″，z″为新的刀位点坐标，l为刀具沿刀轴方向的移动距离，k为刀具移动系数，刀位点向Z正方向移动时k＝1，刀位点向Z负方向移动时k＝-1。

步骤5：按照加工要求确定刀具加工的刀位点路径，这里的刀位点路径就是加工时刀具与叶片实际的刀位接触点路径。

步骤6：完成上述刀位点转换、刀具长度变化补偿处理以及分层加工要求的刀位点转换后，运行可倾斜主轴数控铣床对叶片进行加工，完成一段加工后，关闭可倾斜主轴数控铣床，根据新的加工要求再将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜到新的角度，并采用正弦规验证倾斜角度，重复步骤2-步骤6，直至加工完整个叶片。

为了保证加工后刀具在抬刀过程中不会与整体叶盘的其他叶片发生干涉，刀具的抬刀过程为控制刀具沿刀轴方向后退。

Claims (2)

1.一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在可倾斜主轴数控铣床上装夹待加工工件；按照加工要求将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜，并采用正弦规验证倾斜角度；

步骤2：将数控系统中的刀位点由刀具刀尖点转换为刀具最低点，转换方法为：

a、平底刀刀具最低点：

α＞0时        α＜0时

b、球头刀刀具最低点：

c、环形刀刀具最低点：

α＞0时    α＜0时

其中，x′、y′、z′为刀具最低点在加工坐标系中的坐标，x、y、z为刀具刀尖点坐标，α为可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向的倾斜角度，加工坐标系三轴方向与机床坐标系三轴方向对应平行，r_刀为刀具半径，r₁为环形刀侧刃半径；

步骤3：在数控系统中进行刀具长度补偿：

步骤a：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装标准球，并将可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使标准球接触工件，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₀，y₀，z₀)；

步骤b：在可倾斜主轴数控铣床主轴刀柄安装刀具，并将可倾斜主轴数控铣床 主轴刀柄沿机床坐标系Z方向移动，使刀具接触工件，在数控系统中读取可倾斜主轴数控铣床控制点在机床坐标系中坐标(x₁，y₁，z₁)；

步骤c：根据步骤a和步骤b得到的坐标，确定加工坐标系中Z方向的刀具长度补偿量为|z₁-z₀|，加工坐标系中X方向的补偿量为：球头刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀)tanα；平底刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα)tanα；环形刀：(z₁-z₀+r_球-r_刀/sinα+r₁/cosα-r₁)tanα；其中r_球为标准球半径；

步骤4：根据分层加工要求调整数控系统中的刀位点，调整方法为：

其中x″，y″，z″为新的刀位点坐标，l为刀具沿刀轴方向的移动距离，k为刀具移动系数，刀位点向Z正方向移动时k＝1，刀位点向Z负方向移动时k＝-1；

步骤5：按照加工要求确定刀具加工的刀位点路径；

步骤6：经过步骤2的刀位点转换、步骤3的刀具长度补偿处理以及步骤4的分层加工要求的刀位点转换后，运行可倾斜主轴数控铣床对工件进行加工，完成加工后，关闭可倾斜主轴数控铣床，根据新的加工要求再将可倾斜主轴数控铣床主轴绕机床坐标系Y方向倾斜，并采用正弦规验证倾斜角度，重复步骤2-步骤6，直至加工完整个工件。

2.根据权利要求1所述的一种可倾斜主轴数控铣床的分层加工方法，其特征在于：加工完成后，刀具的抬刀过程为控制刀具沿刀轴方向后退。 

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