CN104148680A - 数控车削细长轴能降低圆柱度误差刀架和编程加工工艺 - Google Patents

数控车削细长轴能降低圆柱度误差刀架和编程加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明对传统的数控车削细长轴的车刀安装、进给方向、对刀和数控加工编程进行了创新设计，设计了立式车刀刀架和对刀调整机构，并在数控加工编程上控制刀尖运行轨迹是与细长轴轴线成一定角度的异面直线，根据用传统的车削细长轴工艺产生的圆柱度误差、细长轴直径进行对刀和编制数控加工程序，以此决定异面直线之间的角度和距离，使车刀刀尖运行轨迹的回转面为中间直径小两端直径大的回转双曲面，与工件受力变形产生的误差相抵消，车削加工的细长轴圆柱度误差明显降低，车削细长轴后一次磨削即可达到加工精度要求，达到了优质、高产、低消耗的生产目的。

Description

数控车削细长轴能降低圆柱度误差刀架和编程加工工艺
技术领域
本发明提供一种数控车削细长轴能降低圆柱度误差的立式刀架和编程加工工艺，涉及机械工程领域车削细长轴克服工件受力变形、改进车刀安装刀架设计及数控车削编程工艺，达到降低细长轴圆柱度误差的目的。
背景技术
在车辆设计制造等机械行业用到大量等直径的细长轴，用数控车床或普通车床常规车削工艺为：车刀水平安装，小切削深度分几次沿与轴线平行的方向走刀车削外圆，车削后的细长轴因受力变形仍存在中间直径大两端直径小的较大圆柱度误差，又在无心外圆磨床上粗磨后再精磨才能达到精度要求，生产成本高、劳动强度大。
本发明创造性地根据两条异面直线，一条绕另一条回转的轨迹为中间直径小两端直径大的回转双曲面原理，设计了图1和图2所示安装和调整位移方向均为垂直方向的新颖的立式刀架结构，如图3和图4所示，根据细长轴直径和常规车削工艺产生的圆柱度误差对刀，计算数控加工编程参数，控制刀尖运行轨迹BC为与细长轴轴线OA成一定角度和距离的异面直线，车削过程中相当于直线BC绕OA回转，其轨迹是中间直径小两端直径大的回转双曲面，中间直径小与工件受力变形产生的圆柱度误差相抵消，明显降低了细长轴圆柱度误差，后续在无心外圆磨床上只精磨一次就达到精度要求，生产成本和劳动强度大大降低，实用性强。
发明内容
本发明对传统的车削细长轴刀架结构和数控加工编程工艺进行了创新性改进设计，设计了图1和图2所示的安装和调整位移方向均为垂直方向的新颖的立式刀架结构，如图3和图4所示，改进了数控加工编程工艺，控制刀尖运行的轨迹BC是与细长轴轴线OA成一定角度和距离的异面直线，车削过程中相当于直线BC绕OA回转，其轨迹是中间直径小两端直径大的回转双曲面，根据轴直径和常规车削产生的圆柱度误差对刀和计算数控车削编程参数，使得回转双曲面中间直径小与工件受力变形产生的圆柱度误差相抵消，大大降低了细长轴车削圆柱度误差，车削后只需在无心外圆磨床上一次磨削就能达到精度要求，达到了优质、高产、低消耗的生产目的。
本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
数控车削细长轴能降低圆柱度误差的立式刀架和编程加工工艺，如图1和图2所示，包括刀架夹紧机构、立式车刀刀架体、车刀安装支架和车刀垂直位移调整机构。其中立式刀架包括安装方柄、立式车刀刀架体和车刀安装支架，在立式车刀刀架体的一端面设有刀架夹紧机构，在数控车床刀架上用压刀螺栓压紧方柄，即夹紧固定整个立式刀架，立式车刀刀架体的另一端面上设有T型槽，两个支架嵌入到T型槽中，因精车余量较小切削力也较小，用两个支架固定车刀强度足够且不产生过定位，支架呈方形，在支架方形面的垂线方向设有方形通孔，一端面设有螺纹孔且与方形通孔垂直贯通，另一端面有定位方销孔与方形通孔也垂直贯通，定位方销置于定位方销孔中，定位方销的一端面与车刀接触，另一端面与T型槽底面接触，车刀的另一端贯穿于方形通孔中并伸出方形孔，与千分表的测量头接触，千分表的磁性表座安放到车床平导轨上，内六角螺栓旋入支架上的螺纹孔并与车刀接触，旋转内六角螺栓夹紧或松开车刀，车刀垂直位移调整机构包括金属方块、单列向心球轴承、螺旋轴和旋转轴座，旋转轴座安放到车床平导轨上，当高度不足时在旋转轴座的下面垫金属块；
松开内六角螺栓，用手旋转螺旋轴，在垂直方向上金属方块随动，当金属方块与车刀刀刃接触时，车刀随金属方块一起移动，千分表的指针在允许的范围内摆动，指针摆动量为车刀刀刃的垂直位移量，指针的摆动范围由编程加工工艺及加工允差确定；螺旋轴下部为螺距1.8mm的单头右旋螺纹，用手旋转螺旋轴一度，千分表长指针转5个刻度，即读数变化量为0.005mm，反映在直径上为0.010mm，车刀垂直位移调整机构能满足车削精度需要； 
如图3和图4所示， O点为细长轴左端面中心孔的圆心，A点为细长轴右端面中心孔的圆心，C点为细长轴左端面圆弧上的一点，B点为细长轴右端面圆弧上的一点，车刀刀尖的运动轨迹是与细长轴轴线OA成一定角度和距离的异面直线BC，D点为直线BC与过OA的垂直平面的交点，图4所示直角三角形ADB为图3所示用本发明数控车削细长轴的E向视图，加工前将千分表、车刀垂直位移调整机构移走，把工件装夹在夹具上，夹具包括数控车床尾架上死顶尖、卡盘死顶尖、与车床主轴一起回转的端面刃拨盘，将尾架死顶尖、卡盘死顶尖伸进细长轴两端的中心孔中，旋紧尾架套筒手柄夹紧细长轴，端面刃拨盘在水平方向上有弹性与卡盘死顶尖不产生过定位，其刃压入细长轴一端面并拨动细长轴随主轴回转，车削过程中相当于直线BC绕OA回转，其轨迹是中间直径小两端直径大的回转双曲面，抵消了工件在加工过程中中间部分受力变形大产生的圆柱度误差，加工后的细长轴成等直径；
车刀刀尖运行数控加工编程指令为：G01 Ux W-z  F500，设轴长度325mm，设车削细长轴要求半径AB=7.5mm，采用常规车削工艺中间直径比两端粗0.07mm，圆柱度误差为0.035mm，则AD=7.5-0.035=7.465mm，用勾股定理算出DB=0.724mm，AB和DB即做为车刀对刀和编程的依据，x=2DB、z=325mm，即可编制BC直线的加工程序为：G01  U1.45  W-325  F500，x和z值就决定了两条异面直线的夹角，AD为异面直线的距离，车削至C点径向退刀程序暂停，卸下工件后按运行键刀具快速运行至B点近处暂停，安装工件后再按运行键刀具运行至B点，加工BC轨迹，循环安装加工。作者试验过，采用该发明车削的细长轴直径误差能达到0.010mm，即圆柱度误差能达到0.005mm，只需在无心外圆磨床上一次磨削即能达到精度要求。
设在无心外圆磨床上精磨一次的直径余量为0.03～0.05mm，在用本发明进行磨削前精车时，对刀和编程按照中间直径进行，即理论上留出直径0.04mm的余量，所以在用图1上螺旋轴微调车刀垂直位移时，千分表长指针的摆动范围可以在理论值左右摆动0.005mm即5个刻度线的允差，即能达到精磨一次满足细长轴精度要求，本发明适用于长度与直径之比大余18的轴即为细长轴。
本发明技术带来的明显效果如下。
1、与在普通车床或数控车床上车削细长轴一样，工件的装夹方式不变，不需要另做专用夹具。
2、图1所示车刀只是刀具体改为垂直安装，车刀参数与原普通车床上车刀参数一样，不需另做专用车刀。
3、可以在一台普通车床或数控车床上采用传统的车削外圆工艺对细长轴粗车精车各一次，使细长轴余量固定，再采用本发明所示刀架和数控加工工艺，调整刀具垂直位移和编制加工程序，实现批量车削，后续一次批量磨削即达到精度要求，达到了优质、高产、低消耗的生产目的。
本发明与现有技术相比，具有无可替代的优点。
1、在普通车床导轨上安装固定中心架，但不能车削等直径的轴全长。
2、在普通车床导轨上安装跟刀架，也不能车削等直径轴全长。
3、在数控车床上水平安装车刀径向进给，编程使车刀走的两段直线相接处呈凹下折线状以克服细长轴变形，但在相接处轴表面很容易车出沟槽，之后仍不能一次磨削达到精度要求。
4、在普通车床或数控车床上小切削深度几次走刀车削后轴圆柱度误差有0.030～0.040mm（直径误差为0.06～0.08mm），粗磨后再精磨才能达到精度要求，劳动强度大，生产成本高。
5、针对现有技术的缺点，本发明专利创造性地利用两条异面直线，一条绕另一条回转的轨迹为中间细两头粗的回转双曲面的原理，设计了如图1和图2所示安装和调整车刀均为垂直方向的新颖的刀架结构，如图3和图4所示，根据细长轴精车尺寸和常规车削产生的圆柱度误差对刀和计算数控加工编程参数，数控加工程序控制车刀9刀尖的运动轨迹是与轴心线OA成一定角度和距离的异面直线BC，车削过程中相当于直线BC绕OA回转，其轨迹是中间直径小两端直径大的回转双曲面，与细长轴受力变形产生的圆柱度误差相抵消，完全解决了现有技术的缺点，达到降低细长轴车削圆柱度误差的目的，使得车削后的细长轴只需要一次磨削就能达到精度要求，达到了优质、高产、低消耗的生产目的，实用性强。
附图说明
图1是立式刀架结构示意图。
图2是立式车刀刀架体、车刀、内六角螺栓及车刀固定方销剖面图。
图3是立式车刀安装加工轨迹俯视图。
图4数控车削细长轴的E向视图。
1、刀架   2、方柄  3、压刀螺栓   4、立式车刀刀架体  5、T型槽   6、千分表   7、车刀安装支架   8、内六角螺栓   9、车刀  10、金属方块   11、单列向心球轴承   12、螺旋轴  13、螺旋轴座  14、定位方销   15、数控车床尾架上死顶尖  16、卡盘顶尖  17、端面刃拨盘   18、细长轴。
实施例一。
在图1～4所示的实施例中，数控车削细长轴能降低圆柱度误差的立式刀架和编程加工工艺，如图1和图2所示，包括刀架夹紧机构、立式车刀刀架体、车刀安装支架和车刀垂直位移调整机构。其中立式刀架包括安装方柄2、立式车刀刀架体4和车刀安装支架7，在立式车刀刀架体的一端面设有刀架夹紧机构，在数控车床刀架1上用压刀螺栓3压紧方柄2，即夹紧固定整个立式刀架，立式车刀刀架体4的另一端面上设有T型槽5，两个支架7嵌入到T型槽中，因精车余量较小切削力也较小，用两个支架7固定车刀强度足够且不产生过定位，支架7呈方形，在支架7方形面的垂线方向设有方形通孔，一端面设有螺纹孔且与方形通孔垂直贯通，另一端面有定位方销孔与方形通孔也垂直贯通，定位方销14置于定位方销孔中，定位方销的一端面与车刀9接触，另一端面与T型槽5底面接触，车刀9的另一端贯穿于方形通孔中并伸出方形孔，与千分表6的测量头接触，千分表6的磁性表座安放到车床平导轨上，内六角螺栓8旋入支架7上的螺纹孔并与车刀9接触，旋转内六角螺栓8夹紧或松开车刀9，车刀垂直位移调整机构包括金属方块10、单列向心球轴承11、螺旋轴12和旋转轴座13，旋转轴座13安放到车床平导轨上，当高度不足时在旋转轴座13的下面垫金属块；
松开内六角螺栓8，用手旋转螺旋轴12，在垂直方向上金属方块10随动，当金属方块10与车刀9刀刃接触时，车刀9随金属方块10一起移动，千分表6的指针在允许的范围内摆动，指针摆动量为车刀9刀刃的垂直位移量，指针的摆动范围由编程加工工艺及加工允差确定；螺旋轴12下部为螺距1.8mm的单头右旋螺纹，用手旋转螺旋轴12一度，千分表6长指针转5个刻度，即读数变化量为0.005mm，反映在直径上为0.010mm，车刀9垂直位移调整机构能满足车削精度需要； 
如图3和图4所示进行操作， O点为细长轴左端面中心孔的圆心，A点为细长轴右端面中心孔的圆心，C点为细长轴左端面圆弧上的一点，B点为细长轴右端面圆弧上的一点，车刀9刀尖的运动轨迹是与细长轴轴线OA成一定角度和距离的异面直线BC，D点为直线BC与过OA的垂直平面的交点，图4所示直角三角形ADB为图3所示用本发明数控车削细长轴的E向视图，加工前将千分表6、车刀垂直位移调整机构移走，把工件装夹在夹具上，夹具包括数控车床尾架上死顶尖15、卡盘死顶尖16、与车床主轴一起回转的端面刃拨盘17，将尾架死顶尖15、卡盘死顶尖16伸进细长轴两端的中心孔中，旋紧尾架套筒手柄夹紧细长轴，端面刃拨盘17在水平方向上有弹性与卡盘死顶尖16不产生过定位，其刃压入细长轴一端面并拨动细长轴随主轴回转，车削过程中相当于直线BC绕OA回转，其轨迹是中间直径小两端直径大的回转双曲面，抵消了工件在加工过程中中间部分受力变形大产生的圆柱度误差，加工后的细长轴成等直径；
车刀9刀尖运行数控加工编程指令为：G01 Ux W-z  F500，设轴长度325mm，设车削细长轴要求半径AB=7.5mm，采用常规车削工艺中间直径比两端粗0.07mm，圆柱度误差为0.035mm，则AD=7.5-0.035=7.465mm，用勾股定理算出DB=0.724mm，AB和DB即做为车刀对刀和编程的依据，x=2DB、z=325mm，即可编制BC直线的加工程序为：G01  U1.45  W-325  F500，x和z值就决定了两条异面直线的夹角，AD为异面直线的距离，车削至C点径向退刀程序暂停，卸下工件后按运行键刀具快速运行至B点近处暂停，安装工件后再按运行键刀具运行至B点，加工BC轨迹，循环安装加工。作者试验过，采用该发明车削的细长轴直径误差能达到0.010mm，即圆柱度误差能达到0.005mm，只需在无心外圆磨床上一次磨削即能达到精度要求。
设在无心外圆磨床上精磨一次的直径余量为0.05mm，在用本发明进行磨削前精车时，对刀和编程按照中间直径进行，即理论上留出直径0.04mm的余量，所以在用图1上螺旋轴12微调车刀垂直位移时，千分表6长指针的摆动范围可以在理论值左右摆动0.005mm即5个刻度线的允差，即能达到精磨一次满足细长轴精度要求，本发明适用于长度与直径之比大余18的轴即为细长轴。
设在无心外圆磨床上精磨一次的直径余量为0.05mm，在用本发明进行磨削前精车时，对刀和编程按照直径进行，理论上留出直径0.04mm的余量，所以在用图1上螺旋轴12微调车刀垂直位移时千分表6的长指针的摆动范围可以在理论值左右摆动0.005mm即5个刻度线的允差，即能达到精磨一次满足细长轴精度要求。
 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术的方案内容，依据本发明型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.数控车削细长轴能降低圆柱度误差刀架和编程加工工艺，立式刀架包括刀架夹紧机构、立式车刀刀架体（4）、车刀安装支架（7）和垂直位移调整机构，在立式车刀刀架体（4）的一端面设有刀架夹紧机构，包括刀架（1）、方柄（2）和压刀螺栓（3），立式车刀刀架体（4）另一端面上设有T型槽（5），两个车刀安装支架（7）嵌入到T型槽（5）中，支架（7）呈方形状，在支架（7）方形面的垂线方向设有方形通孔，一端面设有螺纹孔，且与方形通孔垂直贯通；另一端面加工有定位方销孔与方形通孔垂直贯通，车刀定位方销（14）置于定位方销孔中，定位方销（14）的一端面与车刀（9）接触，另一端面与T型槽（5）底面接触，车刀（9）的另一端贯穿于支架（7）的方形通孔中并伸出方形孔与千分表（6）的测量头接触，内六角螺栓（8）旋入支架（7）上的螺纹孔中并与车刀（9）接触，旋转内六角螺栓（8）夹紧或松开车刀（9），车刀垂直位移调整机构包括金属方块（10）、单列向心球轴承（11）、螺旋轴（12）和旋转轴座（13），旋转轴座（13），放置于车床平导轨上，松开内六角螺栓（8），用手旋转螺旋轴（12），在垂直方向上金属方块（10）随动，当金属方块（10）与车刀（9）刀刃接触时，车刀（9）随金属方块（10）一起沿垂直方向移动，千分表（6）的长指针在允许的范围内摆动，指针摆动的量表明车刀（9）刀刃的垂直位移量，千分表（6）的磁性表座放置于车床平导轨上，指针的摆动范围由编程加工工艺及加工允差确定，O点为细长轴左端面中心孔的圆心，A点为细长轴右端面中心孔的圆心，C点为细长轴左端面圆弧上的一点，B点为细长轴右端面圆弧上的一点，车刀（9）刀尖的运动轨迹是与细长轴轴线OA成一定角度和距离的异面直线BC，D点为直线BC与过OA的垂直平面的交点，直角三角形ADB为数控车削细长轴的E向视图，加工前将千分表（6）和车刀垂直位移调整机构移走，把工件装夹在夹具上，夹具包括数控车床尾架上死顶尖（15）、卡盘死顶尖（16）和端面刃拨盘（17），该拨盘与车床主轴一起回转拨动细长轴（18）回转，装夹工件时将数控车床尾架上死顶尖（15）和卡盘死顶尖（16）伸进细长轴两端的中心孔内，端面刃拨盘（17）在水平方向上有弹性与卡盘死顶尖（16）不产生过定位，端面刃拨盘（17）的刃压入细长轴一端面并拨动细长轴回转，刀尖轨迹回转面为中间直径小、两端直径大的回转双曲面，抵消了工件在加工过程中中间部分受力变形大产生的圆柱度误差，加工后的细长轴成等直径；
车刀（9）的刀尖运行数控加工编程指令为：
G01 Ux W-z  F500，设轴长度325mm，车削细长轴要求半径AB=7.5mm，用常规车削工艺该细长轴中间直径比两端粗0.07mm，即圆柱度误差为0.035mm，则AD=7.5-0.035=7.465mm，用勾股定理算出DB=0.724mm，AB和DB即做为车刀对刀和编程的依据，x=2DB，z=325，即可编制BC直线的加工程序为：G01  U1.45  W-325  F500，车削至C点径向退刀程序暂停，卸下工件后按运行键刀具快速运行至B点近处暂停，装夹好工件后再按运行键刀具运行到B点再加工BC轨迹至C点，循环安装加工。
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