CN103286360A - 一种切向偏置正交车铣加工方法 - Google Patents

Abstract

一种切向偏置正交车铣加工方法，所述正交车铣加工方法是刀具的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直的车铣方式，其主运动是刀具旋转运动，而工件的旋转运动是刀具沿工件圆周方向的进给运动，其切削轨迹为空间曲线；其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法满足下述要求：加工时刀具与加工表面相切，但是刀具轴线不通过工件中心的旋转轴线。本发明切削过程平稳，有效切削宽度相对较大，刀具使用寿命高，加工效率高；技术效果优良。

Description

一种切向偏置正交车铣加工方法

技术领域

本发明涉及科学，特别提供了一种切向偏置正交车铣加工方法。

背景技术

车铣技术是大型回转件加工的一种较为先进的加工方式，它是利用刀具旋转与工件旋转合成的运动来实现对工件的切削的。车铣技术是一种使工件在尺寸精度、形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余应力等多方面都能达到要求的先进制造方法。

正交车铣是刀具的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直的车铣方式，其特征主运动是刀具旋转运动(一般转速较高)，而工件的旋转运动(一般转速较低)是刀具沿工件圆周方向的进给运动，其切削轨迹为空间曲线，比较复杂。

以往的加工方式通过图2、图3可以看出，刀具轴线与工作坐标系轴线完全重合，即刀具轴线通过零件中心，加工时通过零件的自身旋转(工作台转动)来完成不同区域的加工。该方式加工的最大缺陷在于底刃磨损较大，因为刀具底刃中心区域转速为零，当零件转动加工时为零区域仍然会参与加工，虽然加工量较少，但对于底刃来说仍是致命的，直接影响整体刀具的加工效果。同时由于底刃一直埋于零件之中，冷却液不能有效使其冷却降温，加工时由于温度过高也加速了刀具的磨损。

人们迫切希望获得一种技术效果更为优良的改进的正交车铣加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果优良的切向偏置正交车铣加工方法

本发明提供了一种切向偏置正交车铣加工方法，所述正交车铣加工方法是刀具的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直的车铣方式，其主运动是刀具旋转运动(一般转速较高)，而工件的旋转运动(一般转速较低)是刀具沿工件圆周方向的进给运动，其切削轨迹为比较复杂的空间曲线；其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法满足下述要求：加工时刀具与加工表面相切，但是刀具轴线不通过工件中心的旋转轴线。

所述切向偏置正交车铣加工方法中，在作工艺设计时根据下述由式(1)、式(2)共同构成的数学模型能够计算得到刀具轴线前端的中心点C点的运动轨迹：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{2X}{\mathrm{\Φ}1}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\frac{\mathrm{\Φ}1}{\mathrm{coa\α}}---\left(2\right)$

式中：X为刀具轴线与工件轴线之间的距离亦即偏置量，α为刀具轴线前端的中心点C点与工件轴线之间的连线和刀具轴线之间的夹角，Φ1为被加工件的加工面L1的直径，Φ2为与辅助面L2的直径，辅助面L2与被加工件同轴线且通过刀具轴线前端的中心点C点。

所述切向偏置正交车铣加工方法的工艺设计过程中，具体操作时通常是根据α和Φ2求得C点的运动轨迹，并据此进行其他工艺设计。

在进行变轴铣加工时常采用曲面驱动方法：

1)建立辅助面L2，亦即(相当于)将加工面L1向刀具一侧偏置下述距离(Φ2-Φ1)/2，具体通过工艺设计软件直接绘制辅助面作为驱动面、切削参数中进行余量偏置或者驱动面直接偏置三种方式实现；

2)实现刀具旋转α角后仍以中心点为驱动：刀具的旋转角度通过直接设置刀轴前倾角的方法将刀具旋转到正确的角度位置；但此时刀具与辅助面L2的接触点不是刀具中心点C点，而是沿切削方向上底刃最前点Q，即中心点C点的轨迹不在辅助面L2上，这是工艺设计软件NX6.0CAM模块中常用的对刀具前倾角计算后给出的避免过切的一种切削处理方式；

对于不同直径的刀具，最大有效切削宽度W越大，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离就越大；对于直径为D，底部圆角为R的刀具，其最大有效切宽W＝D-2R，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离ΔL＝W/2＝D/2-R，其中R≤D/2；

在进行变轴铣加工时，因为ΔL数值越小，通过直接设置刀轴前倾角的方法得到底刃最前点Q的轨迹与刀具中心点C的轨迹越接近；为保证底刃最前点Q的轨迹与刀具中心点C的轨迹的接近程度，根据公式ΔL＝W/2＝D/2-R，要实现ΔL→0要求采取下述两种途径之一：其一是刀具的直径D足够小：根据加工的精度，通过设置足够小直径的辅助刀具，直接控制ΔL来间接将轨迹误差控制在尺寸公差范围内，从而实现满足精度要求的切向偏置正交车铣加工；其二是刀具的底部圆角足够接近D/2：设置相同尺寸的球形铣刀，直接将ΔL数值控制为零，从而更为精确的实现切向偏置正交车铣加工。

所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置小直径辅助刀具的方法满足下述要求：控制切削区域边界时需要在设置检查体距离时附加真实刀具的半径值；对于相同的后处理，因刀具直径小而会产生过密的点位数据；

所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置相同尺寸球形铣刀的方法满足下述要求：考虑球形铣刀半径范围内的边界过切问题，根据实际情况需要在半径范围内增加辅助检查体以及增大检查体的面积来准确控制实际切削区域。

切向偏置正交车铣技术的编程原理：切向偏置正交车铣技术编程的基本思想是设置合适辅助面，通过刀具在辅助面上的非相切偏置运动来实现对加工面的切向偏置加工，即实现切向偏置正交车铣。

究其实质，本发明所述的切向偏置正交车铣技术是一种变切深、变厚度切削的加工方式，在实际的切削过程中，因为采用的切向偏置量不同，切削区域的大小也不同，瞬时切削深度和切削厚度沿刀具轴线方向和回转方向也可能会时刻发生变化。

本发明要求刀具始终沿切向切削，保证了整个切削过程的平稳性，同时在偏置量相同的情况下可以实现刀具最大的有效切削宽度。

因为切向偏置量的存在，即刀具轴线不通过工件中心，切削过程中引起工件变形的径向力明显下降，有利于控制工件的变形；通过切向偏置，减少每次切削中刀具切削刃的参与数量，从而减少刀具所受的物理冲击和热冲击，且便于快速排屑；同时未参与切削的切削刃可以有充足的时间散热，避免切削过程刀具与工件的急剧升温，提高刀具使用寿命。

正交偏置车铣技术是将刀具转速为零区域偏置出来，且保证在零件最高点进行切削，这样的优点在于为零区域不参与加工完全由侧刃作为主切削刃进行加工，同时又可以使底刃得到切削液的充分浇注有效降温，大大降低了刀具磨损。在提高了刀具的使用寿命后加工区域的大小也得到保持，与此同时由于切削位置的改变，刀具的受力情况也得到改善，加工效率随之提高。通过图4、图5我们可以看出，偏置后刀具轴线与工作坐标系轴线不重合。

在直接使用工艺软件进行编程时，不能保证刀具在零件最高点进行切削，即刀具与零件不相切，这样既降低了最大加工区域，又使得刀具受力异常。运动状态见图6。

本发明所述切向偏置正交车铣加工方法通过对零件象限点位置加工的控制，从而实现真正意义上的侧刃切削，提高刀具使用寿命和加工效率，同时为应用现行工艺设计软件(例如NX6.0CAM)采用新方式编程提供了新的技术思路。需保护的核心技术为实线切向偏置正交车铣技术所采用的技术方法。

偏置车铣采用避开底部中心进行切削的加工方式，不仅保护了刀具最为脆弱的中心底刃，而且减少单次切削刀具切削刃的参与数量，减少整个加工过程中刀具所受的物理冲击和热冲击，可以有效的减少零件变形、节约刀具消耗，并最大限度的提高切削线速度，达到提效的目的。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为切向偏置正交车铣加工方法原理示意简图；

图2为采用现有的刀具轴线与工作坐标系轴线完全重合的正交车铣加工的原理示意图之一；

图3为采用现有的刀具轴线与工作坐标系轴线完全重合的正交车铣加工的原理示意图之二，图3为与图2对应的构图轮廓示意图；

图4为切向偏置正交车铣加工的原理示意图之一；

图5为切向偏置正交车铣加工的原理示意图之二；

图6为切向偏置正交车铣加工运动状态示意简图；

图7为切向偏置正交车铣在Vericut中的仿真效果图。

具体实施方式

实施例1

一种切向偏置正交车铣加工方法，所述正交车铣加工方法是刀具的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直的车铣方式，其主运动是刀具旋转运动(一般转速较高)，而工件的旋转运动(一般转速较低)是刀具沿工件圆周方向的进给运动，其切削轨迹为比较复杂的空间曲线；

所述切向偏置正交车铣加工方法满足下述要求：加工时刀具与加工表面相切，但是刀具轴线不通过工件中心的旋转轴线。

所述切向偏置正交车铣加工方法中，在作工艺设计时根据下述由式(1)、式(2)共同构成的数学模型能够计算得到刀具轴线前端的中心点C点的运动轨迹：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{2X}{\mathrm{\Φ}1}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\frac{\mathrm{\Φ}1}{\mathrm{coa\α}}---\left(2\right)$

式中：X为刀具轴线与工件轴线之间的距离亦即偏置量，α为刀具轴线前端的中心点C点与工件轴线之间的连线和刀具轴线之间的夹角，Φ1为被加工件的加工面L1的直径，Φ2为与辅助面L2的直径，辅助面L2与被加工件同轴线且通过刀具轴线前端的中心点C点。

所述切向偏置正交车铣加工方法的工艺设计过程中，具体操作时通常是根据α和Φ2求得C点的运动轨迹，并据此进行其他工艺设计。

在进行变轴铣加工时常采用曲面驱动方法：

1)建立辅助面L2，亦即(相当于)将加工面L1向刀具一侧偏置下述距离(Φ2-Φ1)/2，具体通过工艺设计软件直接绘制辅助面作为驱动面、切削参数中进行余量偏置或者驱动面直接偏置三种方式实现；

2)实现刀具旋转α角后仍以中心点为驱动：刀具的旋转角度通过直接设置刀轴前倾角的方法将刀具旋转到正确的角度位置；但此时刀具与辅助面L2的接触点不是刀具中心点C点，而是沿切削方向上底刃最前点Q，即中心点C点的轨迹不在辅助面L2上，这是工艺设计软件NX6.0CAM模块中常用的对刀具前倾角计算后给出的避免过切的一种切削处理方式；

对于不同直径的刀具，最大有效切削宽度W越大，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离就越大；对于直径为D，底部圆角为R的刀具，其最大有效切宽W＝D-2R，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离ΔL＝W/2＝D/2-R，其中R≤D/2；

在进行变轴铣加工时，因为ΔL数值越小，通过直接设置刀轴前倾角的方法得到底刃最前点Q的轨迹与刀具中心点C的轨迹越接近；为保证底刃最前点Q的轨迹与刀具中心点C的轨迹的接近程度，根据公式ΔL＝W/2＝D/2-R，要实现ΔL→0要求采取下述两种途径之一：其一是刀具的直径D足够小：根据加工的精度，通过设置足够小直径的辅助刀具，直接控制ΔL来间接将轨迹误差控制在尺寸公差范围内，从而实现满足精度要求的切向偏置正交车铣加工；其二是刀具的底部圆角足够接近D/2：设置相同尺寸的球形铣刀，直接将ΔL数值控制为零，从而更为精确的实现切向偏置正交车铣加工。

所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置小直径辅助刀具的方法满足下述要求：控制切削区域边界时需要在设置检查体距离时附加真实刀具的半径值；对于相同的后处理，因刀具直径小而会产生过密的点位数据；

所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置相同尺寸球形铣刀的方法满足下述要求：考虑球形铣刀半径范围内的边界过切问题，根据实际情况需要在半径范围内增加辅助检查体以及增大检查体的面积来准确控制实际切削区域。

切向偏置正交车铣技术的编程原理：切向偏置正交车铣技术编程的基本思想是设置合适辅助面，通过刀具在辅助面上的非相切偏置运动来实现对加工面的切向偏置加工，即实现切向偏置正交车铣。

究其实质，本实施例所述的切向偏置正交车铣技术是一种变切深、变厚度切削的加工方式，在实际的切削过程中，因为采用的切向偏置量不同，切削区域的大小也不同，瞬时切削深度和切削厚度沿刀具轴线方向和回转方向也可能会时刻发生变化。

本实施例要求刀具始终沿切向切削，保证了整个切削过程的平稳性，同时在偏置量相同的情况下可以实现刀具最大的有效切削宽度。

因为切向偏置量的存在，即刀具轴线不通过工件中心，切削过程中引起工件变形的径向力明显下降，有利于控制工件的变形；通过切向偏置，减少每次切削中刀具切削刃的参与数量，从而减少刀具所受的物理冲击和热冲击，且便于快速排屑；同时未参与切削的切削刃可以有充足的时间散热，避免切削过程刀具与工件的急剧升温，提高刀具使用寿命。

正交偏置车铣技术是将刀具转速为零区域偏置出来，且保证在零件最高点进行切削，这样的优点在于为零区域不参与加工完全由侧刃作为主切削刃进行加工，同时又可以使底刃得到切削液的充分浇注有效降温，大大降低了刀具磨损。在提高了刀具的使用寿命后加工区域的大小也得到保持，与此同时由于切削位置的改变，刀具的受力情况也得到改善，加工效率随之提高。通过图4、图5我们可以看出，偏置后刀具轴线与工作坐标系轴线不重合。

在直接使用软件进行编程时，不能保证刀具在零件最高点进行切削，即刀具与零件不相切，这样既降低了最大加工区域，又使得刀具受力异常。运动状态见图6。

本实施例所述切向偏置正交车铣加工方法通过对零件象限点位置加工的控制，从而实现真正意义上的侧刃切削，提高刀具使用寿命和加工效率，同时为应用现行工艺设计软件(例如NX6.0CAM)采用新方式编程提供了新的技术思路。需保护的核心技术为实线切向偏置正交车铣技术所采用的技术方法。

切向偏置正交车铣技术在NX6.0CAM模块中的实现：

根据上述原理在计算出角度α和辅助面直径Φ2两个参数后，刀具中心点C的运动轨迹已经求解完毕，即理论上切向偏置正交车铣己经实现。

那么基于NX6.0CAM模块的切向偏置正交车铣技术，简单说来就是应用瞅6.0mM模块根据α、φ2两个参数来实现刀具中心点C的运动轨迹。

NX 6.0CAM加工模块提供面铣、层铣、变轴铣等多种加工模式，涵盖了目前数控加工的所有方法。对于复杂型面的数控编程，NX 6.0CAM模块己取代传统的手工编程的复杂点位计算以及大量的数据分析，在准确度及效率方面较有了质的飞跃。

Claims (6)

1.一种切向偏置正交车铣加工方法，所述正交车铣加工方法是刀具的回转轴线与工件的回转轴线相互垂直的车铣方式，其主运动是刀具旋转运动，而工件的旋转运动是刀具沿工件圆周方向的进给运动，其切削轨迹为空间曲线；其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法满足下述要求：加工时刀具与加工表面相切，但是刀具轴线不通过工件中心的旋转轴线。

2.按照权利要求1所述切向偏置正交车铣加工方法，其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法中，在作工艺设计时根据下述由式(1)、式(2)共同构成的数学模型能够计算得到刀具轴线前端的中心点C点的运动轨迹：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{2X}{\mathrm{\Φ}1}---\left(1\right)$

$\mathrm{\Φ}2=\frac{\mathrm{\Φ}1}{\mathrm{coa\α}}---\left(2\right)$

式中：X为刀具轴线与工件轴线之间的距离亦即偏置量，α为刀具轴线前端的中心点C点与工件轴线之间的连线和刀具轴线之间的夹角，Φ1为被加工件的加工面L1的直径，Φ2为与辅助面L2的直径，辅助面L2与被加工件同轴线且通过刀具轴线前端的中心点C点。

3.按照权利要求1或2所述切向偏置正交车铣加工方法，其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法的工艺设计过程中根据α和Φ2求得C点的运动轨迹，并据此进行其他工艺设计。

4.按照权利要求3所述切向偏置正交车铣加工方法，其特征在于：在进行变轴铣加工时采用曲面驱动方法：

1)建立辅助面L2，亦即将加工面L1向刀具一侧偏置下述距离(Φ2-Φ1)/2；

2)实现刀具旋转α角后仍以中心点为驱动：刀具的旋转角度通过直接设置刀轴前倾角的方法将刀具旋转到正确的角度位置；但此时刀具与辅助面L2的接触点不是刀具中心点C点，而是沿切削方向上底刃最前点Q，即中心点C点的轨迹不在辅助面L2上；

对于不同直径的刀具，最大有效切削宽度W越大，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离就越大；对于直径为D，底部圆角为R的刀具，其最大有效切宽W＝D-2R，底刃最前点Q与刀具的中心点C点之间的距离ΔL＝W/2＝D/2-R，其中R≤D/2。

5.按照权利要求4所述切向偏置正交车铣加工方法，其特征在于：在进行变轴铣加工时，为保证底刃最前点Q的轨迹与刀具中心点C的轨迹的接近程度，根据公式ΔL＝W/2＝D/2-R，要实现ΔL→0要求采取下述两种途径之一：其一是刀具的直径D足够小：根据加工的精度，通过设置足够小直径的辅助刀具，直接控制ΔL来间接将轨迹误差控制在尺寸公差范围内，从而实现满足精度要求的切向偏置正交车铣加工；其二是刀具的底部圆角足够接近D/2：设置相同尺寸的球形铣刀，直接将ΔL数值控制为零，从而更为精确的实现切向偏置正交车铣加工。

6.按照权利要求5所述切向偏置正交车铣加工方法，其特征在于：所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置小直径辅助刀具的方法满足下述要求：控制切削区域边界时需要在设置检查体距离时附加真实刀具的半径值；对于相同的后处理，因刀具直径小而会产生过密的点位数据；

所述切向偏置正交车铣加工方法在进行变轴铣加工时，设置相同尺寸球形铣刀的方法满足下述要求：考虑球形铣刀半径范围内的边界过切问题，在半径范围内增加辅助检查体以及增大检查体的面积来控制实际切削区域。

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