CN102773503B - 单点金刚石车床和异形工件的加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种单点金刚石车床，包括常规数控车床的工件轴向位移导轨轴（Z轴）、横向位移导轨轴（X轴）和单晶金刚石刀具，在径向位移导轨轴上增设一个主轴回转分度轴（C轴），在所述的工件轴向位移导轨轴上安装一个可调角度的三维刀架，所述的单晶金刚石刀具固定在所述的三维刀架上，待加工的工件固定在所述的主轴分度轴上，使用工件轴向位移导轨轴来调整加工工件的Z向位移，使用横向位移导轨轴控制加工工件的X向位移和进行异形工件的加工方法。本发明利用单点金刚石主轴的C轴分度功能编制2至3轴联动可在圆柱面和球面上实现刨削成型加工，具有对异形工件精密加工的特点。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工，特别是一种单点金刚石车床和异形工件的加工方法。
背景技术
单点金刚石车床（SINGLE POINT DIAMOND TURNING ，简称为SPDT）是以车削加工方式利用其刀具的高硬性、高耐磨性和刀具形状的高PV精度配合机床本体的高位移精度专门加工尺寸精度、面型精度、表面粗糙度要求极高的工件（主要以光学类零件为主）。由于其主切削运动为机床主轴旋转，故其加工工件多为回转类、半回转类和平面工件，存在一定的局限性，而对于一些如滚花柱面、沟槽柱面、螺旋柱面等异形表面工件很难进行常规加工。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种单点金刚石车床及异形工件的加工方法，利用本发明的单点金刚石车床可进行具有滚花、沟槽、螺旋柱面的异形工件的加工。
本发明的技术解决方案如下：
本发明的基本思想是通过对单点金刚石车床相对于常规数控车床XZ两轴的（工件轴向轴、径向位移轴）增加一个主轴回转分度轴（简称为C轴），以实现XC、ZC 两轴联动加工或XZC三轴联动加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的加工。
一种单点金刚石车床，包括常规数控车床的工件轴向位移导轨轴、横向位移导轨轴和单晶金刚石刀具，其特点在于：在所述的径向位移导轨轴上增设一个主轴回转分度轴，在所述的工件轴向位移导轨轴上安装一个可调角度的三维刀架，所述的单晶金刚石刀具固定在所述的三维刀架上，待加工的工件固定在所述的主轴分度轴上，使用工件轴向位移导轨轴来调整加工工件的Z向位移，使用横向位移导轨轴控制加工工件的X向位移。
利用所述的单点金刚石车床进行异形工件的加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤；
①根据工件表面加工轮廓选取单晶金刚石刀具的几何参数：刀尖圆弧R和刀具夹角θ；
②伺服联动坐标轴转换；
③编制单晶金刚石刀具加工刀路程序，采用XC、ZC 两轴联动加工或XZC三轴联动加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的初步加工；
④后期测量，调整加工参数与装夹精度进行再加工:
工件初步加工完整后，通过20X显微测量镜测量三棱锥各个边长，利用白光干涉仪测量三棱锥矢高, 调整所述的单晶金刚石刀具的几何角度和所述的三维刀架的角度的装夹精度，进行补偿加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的最后加工。
所述的天然单晶金刚石刀具的刀尖圆弧R的取值范围为0.001mm至 1mm，刀具夹角θ的取值范围为50°至75°。
本发明的有益效果是传统单点金刚石车床采取的是利用刀具上的一点切削点配合几个位移导轨的联动对工件采取单点仿型加工，本发明的在于事先将刀具形状加工成所要加工形状的一个截面部分，利用单点金刚石主轴的C轴分度功能编制2至3轴联动可在圆柱面和球面上实现刨削成型加工。
附图说明
图1是本发明单点金刚石数控车床结构简图。
图2是天然单晶金刚石刀具示意图一般由刀尖圆弧R和刀具夹角θ所决定如图。
图3是采用单点数字控制仿型加工时，刀具表面与加工工件表面之间是以单点接触方式切削示意图。
图4是待加工零件的外圆柱面加工滚花状三棱锥集。
图5是图4滚花状三棱锥集的局部放大图。
图6是加工时刀具放大示意图。
图7是图3柱面的类滚花三棱锥集的展开图。
图8是通过软件坐标转换将工件展开时的Y向位移坐标值转换成工件柱面时C向旋转量坐标值的示意图。
图9是三个方向刀具的路径示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图1，图1是本发明单点金刚石数控车床结构简图，如图所示，一种单点金刚石车床，包括常规数控车床的工件轴向位移导轨轴Z轴、横向位移导轨轴X轴和单晶金刚石刀具1，在所述的径向位移导轨轴上增设一个主轴回转分度轴C轴，在所述的工件轴向位移导轨轴上安装一个可调角度的三维刀架2，所述的单晶金刚石刀具固定在所述的三维刀架上，待加工的工件3固定在所述的主轴分度轴上，使用工件轴向位移导轨轴来调整加工工件的Z向位移，使用横向位移导轨轴控制加工工件的X向位移。
利用所述的单点金刚石车床进行异形工件的加工方法，包括下列步骤：
步骤一根据工件表面加工轮廓选取单晶金刚石刀具的几何参数：刀尖圆弧R和刀具夹角θ；
步骤二伺服联动坐标轴转换
步骤三后期测量，调整加工参数与装夹精度进行再加工。
具体步骤如下：
步骤一: 根据加工工件面型轮廓选择。通常天然单晶金刚石刀具的几何参数都采取数据化管理，一般由刀尖圆弧R和刀具夹角θ所决定如图2所示：
常规金刚石刀具刀尖圆弧R一般从0.001mm至 1mm之间，刀具夹角θ一般从50°至75度之间。
一般SPDT机床具采取单点数字控制仿型加工即刀具表面与加工工件表面之间是以单点接触方式切削如图3所示。这种加工方式只能在工件连续回转时进行。而在一些工件回转无法加工的工件时无法采取单点数字控制仿型加工如图4所示
在图4零件外圆柱面加工滚花状三棱锥集，由于其不是光顺连接且空间狭小无法单点连续切削刀具只能采取面接触加工方式。根据2个相邻三棱锥的夹角角度来确定金刚石刀具的刀具张角θ，而理论上相邻2个三棱锥的接触边一条线，所以加工刀具顶部R值越小越好，我们选择R=0.001mm的刀具。如图6加工时刀具放大示意图。
对于面切削刀具因其切削力相对于点切削时刀具承受切削力较大。单点金刚石刀具是最好的选择
步骤二伺服联动坐标轴转换
在对于平面上的类滚花状三棱锥集的加工方式，可使用平面刨床在三棱锥集2锥面之间走YZ轴联动刨削刀具，加工工件表面。而对于图3所示的柱面工件来说由于加工表面是圆弧柱面，无法使用传统平面刨削的方式加工。SPDT机床在普通数控车床XZ两轴的基础上多了一个C轴即主轴旋转方向分度轴。通过软件坐标转换将工件展开时的Y向位移坐标值转换成工件柱面时C向旋转量坐标值；
步骤三编制加工刀路程序
首先，将刀具安置在三棱锥的三个面，产生3个方向的刀具路径，如图9所示。
然后，计算三棱锥集的在工件外圆的均布总数量N，公式如下：
N=πD/Y
其中，D为加工工件外圆口径，Y为单个三棱锥底边三角形的边长。
接着，计算刀具经过单个三棱锥的一个面加工坐标中主轴分度轴C轴的旋转量C′，公式如下：
计算刀具经过单个三棱锥的一个面加工坐标中工件轴向位移轴Z轴的位移量Z′,公式如下：
最后，根据加工三棱锥集在这一刀路的具体数量M，确定这一刀路子程序C轴和Z轴联动程序的语句总数P=M。
将3个刀具路径方向的CZ联动程序设为子程序。根据工件三棱锥在各个刀路的具体路径数量编制宏程序作为循环主程序。分别用三维刀架调刀仪对工件三个方向刀具的方向进行调整。三个路径依次加工。当三个面都完成时，柱面上的三棱锥集便已加工完成。
步骤4通过后期测量，调整加工参数与装夹精度
工件初步加工完整后，通过20X显微测量镜测量三棱锥各个边长，利用白光干涉仪测量三棱锥矢高, 调整所述的单晶金刚石刀具的几何角度和所述的三维刀架的角度的装夹精度，进行补偿加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的最后加工。
Claims (2)
1.一种利用单点金刚石车床进行异形工件的加工方法，该单点金刚石车床，包括常规数控车床的工件轴向位移导轨轴Z轴、横向位移导轨轴X轴和单晶金刚石刀具，其特征在于：在径向位移导轨轴上增设一个主轴回转分度轴C轴，在所述的工件轴向位移导轨轴Z轴上安装一个可调角度的三维刀架，所述的单晶金刚石刀具固定在所述的三维刀架上，待加工的工件固定在所述的主轴回转分度轴C轴上，使用工件轴向位移导轨轴Z轴来调整加工工件的Z向位移，使用横向位移导轨轴X轴控制加工工件的X向位移，该加工为在工件外圆柱面上加工滚花状三棱锥集；
其特征在于，该方法包括下列步骤；
①根据工件表面加工轮廓选取单晶金刚石刀具的几何参数：刀尖圆弧R和刀具夹角θ；
②伺服联动坐标轴转换；
③编制单晶金刚石刀具加工刀路程序，采用XC、ZC两轴联动加工或XZC三轴联动加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的初步加工，具体如下：
首先，将刀具安置在待加工的工件的三个面，产生三个方向的刀具路径，
然后，计算三棱锥在待加工工件外圆的均布总数量N，公式如下：
N＝πD/Y
其中，D为加工工件外圆口径，Y为单个三棱锥底边三角形的边长；
接着，计算刀具经过单个三棱锥的一个面加工坐标中主轴回转分度轴C轴的旋转量C′，公式如下：
C′＝N/360°
计算刀具经过单个三棱锥的一个面加工坐标中工件轴向位移导轨轴Z轴的位移量Z′,公式如下：
Z′＝sin(60°)Y
最后，根据加工三棱锥总数在这一刀路的具体数量M，确定这一刀路子程序C轴和Z轴联动程序的语句总数P＝M；
将三个刀具路径方向的CZ联动程序设为子程序；根据待加工工件上三棱锥在各个刀路的具体路径数量编制宏程序作为循环主程序，分别用三维刀架调刀仪对工件三个方向刀具的方向进行调整，三个路径依次加工；
④后期测量，调整加工参数与装夹精度进行再加工:
工件初步加工完整后，通过20X显微测量镜测量三棱锥各个边长，利用白光干涉仪测量三棱锥矢高,调整所述的单晶金刚石刀具的几何角度和所述的三维刀架的角度的装夹精度，进行补偿加工，完成具有滚花、沟槽、螺旋柱面异形工件的最后加工。
2.根据权利要求1所述的异形工件的加工方法，其特征在于所述的单晶金刚石刀具的刀尖圆弧R的取值范围为0.001mm至1mm，刀具夹角θ的取值范围为50°至75°。
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