CN102441816A - 三维切削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械领域机加工方法，特别的涉及用于光学用品模具加工的三维切削加工方法。提供一种采用更加准确修正项对工具位置进行修正、并且加工精度更好的三维切削加工方法。一种三维切削加工方法，根据设计好的加工轨迹由安装在中心转轴上的工具对作业进行加工，工具的加工位置是以中心转轴上的点为原点的曲坐标(r，θ)，上述工具的位置坐标在加工位移过程中设有修正项，该修正项与sin(2φ)成正比例，上述φ为工具和作业加工点所在加工面的切线与水平面之间的夹角。本方法有效地减少了由于工具的弯曲导致加工位置的误差。

Description

三维切削加工方法

技术领域

本发明涉及机械领域机加工方法，特别的涉及用于光学用品模具加工的三维切削加工方法。

背景技术

三维切削加工机是一边改变中心转轴工具的3维切削位置坐标(以下称为胶印位置)一边进行加工，以此来实现预想的加工面，如专利文献(特开2008-126323号公报)中有相关介绍。光学部件模具具有极高的精度要求，普通三维加工方法无法满足精度要求。

任何三维加工在对加工对象(以下简称作业)进行加工的时候，由于作业对工具有反作用力，工具本身会发生弹性变形(以下简称弯曲)，从而工具的胶印位置也会发生局部的变化。

要修正这种由于工具的弯曲导致加工位置的误差，当前采取追加表现透镜面的从常数变为多项式的修正项来修正工具的胶印位置的办法。

在这里，作用于工具的切削力会根据加工面的横截面形状而变化，工具的弯曲度也会随之变化。而且，在加工面的横截面形状是包含局部性的极值的复杂形状的情况时，不仅工具的弯曲度的绝对值会发生改变，工具的弯曲方向也会发生变化。因此，对于加工面的横截面形状是包含了局部性的极值的复杂形状的这种加工对象，通过追加表现透镜面的从常数变为多项式的修正项也不能修正由于工具弯曲导致的加工位置的误差。

发明内容

针对工具加工过程中，工具弯曲度、弯曲程度都会随着加工面横截面形状变化的情况，本发明提供一种采用更加准确修正项对工具位置进行修正、并且加工精度更好的三维切削加工方法。

一种三维切削加工方法，根据设计好的加工轨迹由安装在中心转轴上的工具对作业进行加工，工具的加工位置是以中心转轴上的点为原点的曲坐标(r，θ)，上述工具的位置坐标在加工位移过程中设有修正项，该修正项与

sin(2φ)

成正比例，上述φ为工具和作业加工点所在加工面的切线与水平面之间的夹角。

上述修正项还包括d，即该修正项与

d·sin(2φ)

成正比例，上述d为工具加工时相对作业的嵌入深度。

本发明三维切削加工方法，具有如下加工步骤：

1)将包含加工面形状的设计值输入进三维切削加工装置的加工控制装置中；

2)将工具变量输入进三维切削加工装置的加工控制装置中，上述工具变量是表示工具形状的变量；

3)将弯曲修正系数的初始值输入进三维切削加工装置的加工控制装置中，将c作为弯曲修正系数，将修正量以

-c·d·sin 2φ

来表示；

4)用加工控制装置计算工具轨迹的胶印位置，并加上工具轨迹坐标的修正量；

5)根据计算出的工具轨迹的胶印位置，用工具对作业进行加工；

6)测定切削加工面的形状，和加工面形状的设计值的比较，判断两个值之间的差是否在产品规格的容许范围内，如果是在容许范围内的就工序结束；

7)如果步骤6)中比较两个值之间的差不在容许范围内的，根据切削加工面形状与加工面形状的设计值之间的差，计算弯曲修正系数的修正值；

8)将弯曲修正系数的修正值输入进三维切削加工装置的控制装置中，再重新加工。

本发明三维切削加工方法的好处在于，针对加工面的横截面形状是包含局部性的极值的复杂形状的这种加工对象，可以通过在加工点、作用于该工具的背分力的矢量以及包含该转轴的横截面中，把φ(顺时针方向为正、逆时针方向为负)作为加工面与水平面所成的角度，根据包含

sin(2φ)

和修正系数的积的修正项，对背分力导致水平方向的工具发生弯曲，从而发生的加工位置的误差进行修正，有效地减少由于工具的弯曲导致加工位置的误差；

本方法将d作为工具的嵌入深度，根据包含

d·sin(2φ)

和修正系数的积的修正项，对上述横截面的水平方向的工具的弯曲导致加工位置的误差进行修正，将工具的嵌入深度考虑进修正项，能够获得更好的修正效果；

本发明加工过程中按照切削加工后的形状再次对修正系数进行修正，因此能更高精度地进行修正，而且本发明的三维切削加工方法工具对作业进行旋涡状加工。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细描述。

图1为本发明三维切削加工机的结构示意图。

图2为图1中工具部分结构示意图。

图3为加工时对工具起切削力的说明示意图。

图4为加工时对工具起作用的背分力的说明示意图。

图5为本发明加工方法流程图。

图6为本发明方法加工效果与现有技术加工效果比较示意图。

具体实施方式

见图1，本发明中三维切削加工机的工具101安装在升降台103上。升降台103被安装在可以沿Y轴方向(垂直方向)移动的底座105上。底座105被安装在可以沿X轴方向移动的X轴方向移动台107上。另一方面，作业201由真空拉锁等保持吸附在平台111上。平台111被固定在能够沿Z轴方向移动的Z轴方向移动台109上。

在图1显示的三维切削加工机中，构成了升降台103、X轴方向移动台107以及Z轴方向移动台109各自能沿着Y轴方向、X轴方向以及Z轴方向移动的结构。保持在Z轴方向移动的移动台上的作业，作为三维切削加工机的另外构成部分，无论三维切削加工机是怎样的结构，都能适用于本发明。

见图2，安装在升降台103上的工具，以与Y轴平行的A轴为中心转轴进行切削。

进行作业201的切削加工的时候，将加工面形状的设计值输入进图示上未显示的加工机控制装置上，以此计算切削加工时工具轨迹的胶印位置。然后，根据计算出的轨迹的胶印位置，移动工具进行切削加工。

但是，如上所述，工具对作业进行实际加工的时候，切削力作用于工具上，工具自身会发生弯曲，工具的胶印位置也会发生局部的变化。正因为如此，为了能够对加工面进行高精度的加工，需要适当修正由于切削力的作用导致工具弯曲而引起的加工位置的误差。

见图3，图3(a)是显示包含工具转轴以及加工点W的横截面的示意图。图3(b)是从与工具的转动面相垂直的角度观察工具的示意图。

在加工点W中，作用在工具上的切削力分为主分力、背分力和送分力。主分力是工具被旋转时受到的力，是工具旋转的圆周方向的分力。背分力是工具由于被压附在作业上而受到的力，是于加工点W上沿着加工面的法线方向作用的分力。送分力是使工具朝指定的方向移动时工具受到的分力。上述三种分力相互垂直相交。

上述切削力的分力中，影响工具弯曲的是背分力。因此，接下来对背分力进行考察。

见图4，虚线表示的是作业中心轴的横截面。工具101在作业中心轴的周围一边做旋涡状移动一边进行切削加工。为了表现工具101的胶印位置，也可以使用以中心轴上的点为原点的曲坐标(r，θ)。这种情况下，工具101的移动方向为θ方向，上述的横截面包含了r方向。图4显示了工具101在作业中心轴周围作旋涡状移动的时候，分别通过上述横截面的三个地方时的工具101的横截面。也就是说，图4中左侧的工具位于漩涡的外侧，右侧的工具位于漩涡的内侧(作业中心轴的一侧)。

在图4的横截面中，工具101和工作的加工点所在加工面的切线和水平面所成的角度以φ来表示。该角度以顺时针方向为正，逆时针方向为负。另外，背分力以F来表示，嵌入深度以d来表示。背分力与切割厚度成比例。在这里，切割的厚度是指工具沿加工点所在的加工面的法线方向，切入作业的大小。切入深度用

d·cosφ

来表示。从而，背分力F以k为常数，以

F＝k·d·cosφ

来表示。

另外，背分力F的Z方向分力Fz以

Fz＝k·d·cos²φ

来表示。

这里，背分力F的Z方向分力Fz是工具101的旋转轴(A轴)方向的力。因为工具101旋转方向的刚性极高，可以无视旋转轴方向的弯曲度。

背分力F的r方向分力Fr以

Fr＝k·d·cosφ·sinφ＝k·(d/2)·sin 2φ

来表示。r的正方向就是Fr的正方向。

由背分力F的r方向分力Fr引起的工具101的弯曲度与

d·sin 2φ

成比例。因而、通过将与

-d·sin 2φ

成比例的修正量加到胶印位置的坐标上，可以修正由于工具101的弯曲引起的加工位置的误差。

加工点W1所在的加工面的切线和水平面之间的角度是φ1(顺时针方向为正值)。从而，背分力F的r方向分力Fr是正值，方向是r的正方向。要修正由于该力引起弯曲并导致加工位置发生的误差，需要将与

-d·sin 2φ1

成比例的修正量(r的负方向)加到胶印位置的坐标上。

加工点W2所在的加工面的切线和水平面之间的角度是φ2(逆时针方向为负值)。从而，背分力F的r方向分力Fr是负值，方向是r的负方向。要修正由于该力引起弯曲并导致加工位置发生的误差，需要将与

-d·sin 2φ2

成比例的修正量(r的正方向)加到胶印位置的坐标上。

加工点W3所在的加工面的切线和水平面之间的角度是φ3(顺时针方向为正值)。从而，背分力F的r方向分力Fr是正值，方向是r的正方向。要修正由于该力引起弯曲并导致加工位置发生的误差，需要将与

-d·sin 2φ3

成比例的修正量(r的负方向)加到胶印位置的坐标上。

如图4显示，加工面的横截面是包含局部性极值的复杂形状的时候，按照以往的办法，不能对工具弯曲引起的加工位置的误差进行有效修正。而根据本发明的实施形态，将与

-d·sin 2φ

成比例的修正量加到胶印位置的坐标上，可以有效修正由于背分力引起弯曲并导致加工位置的误差。

见图5，本发明加工方法具有如下步骤，S010段是将包含加工面形状的设计值输入进3维切削加工装置的加工控制装置中。

S020段是将工具变量输入进3维切削加工装置的加工控制装置中。在这里，工具变量是表示工具形状的变量。

S030段是将弯曲修正系数的初始值输入进3维切削加工装置的加工控制装置中。具体的说，就是将c作为弯曲修正系数，将修正量以

-c·d·sin 2φ

来表示。直接将弯曲修正系数c输入加工控制装置也可以。弯曲修正系数C根据作业和工具的种类而定，只要加工制御装置的存储器能容纳就可以。在这种情况下，加工控制装置根据工具的轨迹和加工面的形状，按照公式

-c·d·sin 2φ

来计算修正量。或者，将弯曲修正系数C作为别的常数，将修正量以

-C·sin 2φ

来表示。直接将修正系数C输入加工控制装置也可以。只需弯曲修正系数C根据作业和工具材料等等，使加工控制装置的存储器可以容纳就行。在这种情况下，加工控制装置根据工具的轨迹和加工面的形状，按照公式

-C·sin 2φ

来计算修正量。

S040段是用加工控制装置计算工具轨迹的胶印位置。计算胶印位置时，加上工具轨迹坐标的修正量。

S050段是根据计算出的工具轨迹的胶印位置，用工具101对作业201进行加工。

S060段是测定切削加工面的形状。

S070段是通过对切削加工面的形状和加工面形状的设计值的比较，判断两个值之间的差是否在产品规格的容许范围内。如果是在容许范围内的就工序结束，如果不在容许范围内的，就进行S080段。

S080段是根据切削加工面形状与加工面形状的设计值之间的差，计算弯曲修正系数的修正值。

S090段是将弯曲修正系数的修正值输入进3维切削加工装置的控制装置中，然后进行S040段工序。

见图6，图6(a)是显示加工面形状的设计值的示意图。横轴是表示r方向的坐标，纵轴是表示Y轴方向的坐标。图6(b)是根据以往的技术办法，被加工后的加工面形状与设计值的偏差。横轴和图6(a)一样，是表示r方向的坐标，纵轴是表示Y轴方向的偏差。图6(c)是根据本发明实施形态被加工后的加工面形状与设计值的偏差。横轴和图6(a)一样表示r方向的坐标，纵轴表示Y轴方向的偏差。

图6(a)中加工面的领域1是极坐标r越大，Y坐标值也就越大；领域2是极坐标r越大，Y坐标值就越小。在以往的技术中，对领域1进行修正后，领域1的误差消除了，但是领域2的误差却增大了。再对领域2进行修正后，领域2的误差消除了，领域1的误差却增大了。

图6(b)中，与领域1相对应的部分，与加工后的加工面形状的设计值的偏差在20千分尺以内。另外，与领域2相对应的部分，与加工后的加工面形状的设计值的偏差最大达到80千分尺。如上所述，这就是考虑到领域1的情况要根据以往的技术进行修正的原因。

图6(c)中，不论是与领域1相对应的部分，还是与领域2相对应的部分，与被加工后的加工面形状的设计值的偏差都在20千分尺以内。

显然，本发明的上述具体实施方式仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本发明确定的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三维切削加工方法，根据设计好的加工轨迹由安装在中心转轴上的工具对作业进行加工，工具的加工位置是以中心转轴上的点为原点的曲坐标(r，θ)，其特征在于：上述工具的位置坐标在加工位移过程中设有修正项，该修正项与

sin(2φ)

成正比例，上述φ为工具和作业加工点所在加工面的切线与水平面之间的夹角。

2.根据权利要求1所述的三维切削加工方法，其特征在于：上述修正项还包括d，即该修正项与

d·sin(2φ)

成正比例，上述d为工具加工时相对作业的嵌入深度。

3.根据权利要求2所述的三维切削加工方法，具有如下加工步骤：

1)将包含加工面形状的设计值输入进三维切削加工装置的加工控制装置中；

2)将工具变量输入进三维切削加工装置的加工控制装置中，上述工具变量是表示工具形状的变量；

3)将弯曲修正系数的初始值输入进三维切削加工装置的加工控制装置中，将c作为弯曲修正系数，将修正量以

-c·d·sin 2φ

来表示；

4)用加工控制装置计算工具轨迹的胶印位置，并加上工具轨迹坐标的修正量；

5)根据计算出的工具轨迹的胶印位置，用工具对作业进行加工；

6)测定切削加工面的形状，和加工面形状的设计值的比较，判断两个值之间的差是否在产品规格的容许范围内，如果是在容许范围内的就工序结束；

7)如果步骤6)中比较两个值之间的差不在容许范围内的，根据切削加工面形状与加工面形状的设计值之间的差，计算弯曲修正系数的修正值；

8)将弯曲修正系数的修正值输入进三维切削加工装置的控制装置中，再重新加工。

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