CN104400092A - 一种轮廓具有复合斜面的立体型面的铣削精加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮廓具有复合斜面的立体型面铣削精加工方法。该方法包括对单个斜面分别进行精加工后，测量立体斜面的Z向误差，根据检测值自动计算确定下个零件精加工轨迹。或者包括测量半精加工后的立体斜面的Z向误差，记录误差数据后，对经过半精加工后的立体斜面进行精加工，精加工轨迹按半精加工检测结果进行修正。本发明通过在线测量加工过程中的零件尺寸，修正精加工轨迹，消除因刀具磨损、零件刚性变形、硬度不均匀等因素所带来的加工综合误差，大幅提高了大型或难切削立体型面的加工精度。

Description

一种轮廓具有复合斜面的立体型面的铣削精加工方法

技术领域

本发明涉及数控铣削加工领域，尤其涉及一种难切削材料或大型复合斜面的铣削精加工方法。

背景技术

在机械加工中，经常遇到如图1的类似工件的铣削加工，其加工面由一些复合斜面组成。这类零件在三轴数控机床上加工时，通常是将其卧放在工作台上，再利用球头刀或平底R刀在表面横向进行铣削加工，其主要是在X轴和Y轴所在平面上进行层次铣削，在机床Z方向根据斜度具有一定幅度的波动。如果工件零件强度较低或结构上有限制(例如要求倒圆角尺寸)，则刀具的R角不能太大(以用于控制切削力)，且Z向层切步距需要很小，因此其加工路径很长。

特别是，如果零件为难切削零件或是大型工件，由于其刀具加工路径长，目前的加工方法会存在以下问题。第一，会存在明显的零件铣削加工刀具磨损，导致其加工精度差。零件铣削加工刀具磨损由零件材料性能和尺寸决定，零件材料越硬，刀具加工磨损越快，另零件形状尺寸越大，所需的切削长度越长，加工中刀具磨损造成的加工尺寸超差问题越严重。从工厂的加工经验中可以看出，切削刀具磨损问题在大型零件和难切削材料加工中尤为突出，其产生原因为在大型零件在加工过程中，刀具会随着切削长度增加逐渐磨损，该问题完全不能用手工检测调整刀具参数来解决，影响到零件的加工质量。第二，零件硬度不均产生的铣削轮廓误差的问题。对于大型零件，同一块材料在不同的点，材料硬度数值存在3～5HRc的差值，会造成精加工时，因硬度不同造成轮廓不同点让刀差异而产生加工轮廓误差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种立体型面件的铣削精加工方法，用于对难切削材料或大尺寸的立体型面件进行表面铣削精加工，其通过在加工中实时获得前一工件精加工的误差或者相同刀具在半精加工中的磨损规律，从而实时对后一工件或者同类型的精加工刀具进行补偿，从而实现工件的铣削精加工。

按照本发明的一个方面，提供一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其通过前一个工件的铣削精加工获得该类工件由让刀产生的加工误差并进而对后一个工件进行补偿，从而克服难切削材料或大尺寸的立体型面件侧壁的加工中由于主轴让刀或工件刚性不足带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工，其特征在于，该方法包括：

(1)装夹立体型面工件，并对加工表面进行逐层铣削加工，其中包括最后利用精加工刀具进行精加工，以获得加工后的工件轮廓，且该步骤中切削行距根据斜面切削横向粗糙度确定；

(2)对加工后的工件轮廓进行误差检测，即在切削行距方向上依次在加工面上的多个切削行处分别设置检测点，利用测头对所述各检测点进行检测，获得各检测点处由于让刀产生的实际检测值与理论值的误差，进而获得各检测点的实际轮廓检测误差；

(3)换装相同类型的另一个工件，并对其完成精加工前的各种加工工序；

(4)对该工件进行精加工，即选用精加工刀具并按照与前一个工件的加工参数一致的加工方式进行精加工，并在加工到所述各检测点时利用上述实际轮廓检测误差进行相应的刀具补偿，从而实现对立体型面件侧壁的铣削精加工。

作为本发明的改进，所述步骤(1)中，切削行距通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_e=\frac{2\sqrt{2{\mathrm{RR}}_a\sin \mathrm{\α}{R_a}^2}}{\sin \mathrm{\α}}$

其中，α_e为切削行宽，R为刀具半径，R_a为表面粗糙度，α为斜面与基准面夹角。

作为本发明的改进，各检测点的所述实际轮廓检测误差δ′为：

δ′＝δ-δ₀

其中，δ为测头测量显示值，δ₀为检测实际理论值与理论值的误差，δ₀＝r/cosα-r，r为测头测球半径，α为斜面法向角。

作为本发明的改进，所述每个切削行上可设置多个不同的检测点，各检测点优选位于设置在该切削行处的表面轮廓横截面上的各轮廓线交点附近。

作为本发明的改进，所述检测点所在的各切削行在型面上沿行距方向上距离相等，以将检测点在切削路径上平均分布。

按照本发明的另一方面，提供一种立体型面件的铣削精加工方法，其通过对工件的铣削半精加工中获得该类工件由由于刀具磨损产生的加工误差并进而在后续的精加工中采用相同的刀具并进行补偿，从而克服难切削材料或大尺寸的立体型面件的加工中由于刀具磨损带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工，其特征在于，该方法包括：

(1)用粗加工刀具逐层粗铣加工工件表面轮廓，并预留铣加工余量；

(2)用半精加工刀具继续铣削加工轮廓，并预留铣加工余量；

(3)对半精加工后的工件轮廓进行误差检测，即在切削行距方向上依次在加工面上的多个切削行处分别设置检测点，利用测头对所述各检测点进行检测，获得各检测点处由于刀具磨损而产生的实际检测值与理论值的误差，进而获得各检测点的实际轮廓检测误差；

(4)用另一把与半精加工一致的精加工刀具对上述工件进行轮廓精加工，且加工参数与半精加工一致，并在加工到所述各检测点时利用上述实际轮廓检测误差进行相应地补偿，从而实现对立体型面件的铣削精加工。

作为本发明的改进，所述步骤(1)中，切削行距通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_e=\frac{2\sqrt{2{\mathrm{RR}}_a\sin \mathrm{\α}{R_a}^2}}{\sin \mathrm{\α}}$

其中，α_e为切削行宽，R为刀具半径，R_a为表面粗糙度，α为斜面与基准面夹角。

作为本发明的改进，各检测点的所述实际轮廓检测误差δ′为：

δ′＝δ-δ₀

其中，δ为测头测量显示值，δ₀为检测实际理论值与理论值的误差，δ₀＝r/cosα-r，r为测头测球半径，α为斜面法向角。

作为本发明的改进，所述每个切削行处可设置多个不同的检测点，各检测点优选位于设置在该切削行处的表面轮廓横截面上的各轮廓线交点附近。

作为本发明的改进，所述检测点所在的各切削行在型面上沿行距方向的距离相等，以将检测点在切削路径上平均分布。

本发明中，针对在加工中主要由主轴及刀具让刀或零件刚性不足带来的加工误差的方案中，其中步骤(1)中，先装夹后按工艺完成前面工艺步骤，最后工步为用精加工刀具行切法精加工轮廓，具体来说，可以包括(a)斜面切削刀具选择和切削方向设计，即如果斜面角度小，精加工刀具应选用平底R刀或平底刀，刀具轨迹沿斜面正方向切削。(b)根据斜面切削横向粗糙度确定切削行距，即精加工刀具选用平底R刀或平底刀，刀具轨迹沿斜面正方向切削，并且确定步距与刀具直径、粗糙度要求、斜面角度的关系式。步骤(2)中，用测头检测零件斜面轮廓点上的Z值，每个检测点设置在轮廓交点附近。

本发明中，用雷尼绍提供的Z向平面误差检测方法，检测方向在Z轴平行线上，从而比较工件实际尺寸与最终理论轮廓尺寸的法向误差量δ′。

本发明中，针对在加工中主要由刀具磨损带来的加工误差的方案中，其中的步骤(1)采用粗加工刀具粗铣加工轮廓，留理论铣加工余量。步骤(2)采用半精加工铣刀加工轮廓，留理论铣加工余量。加工参数和精加工的加工参数完全一致；半精加工刀具与精加工刀具成组使用，加工内容应保证一致，加工方法按方案一的步骤(1)，如加工复合斜面，每一斜面分别加工，加工轨迹分别沿斜面的正方向，加工步距按步距与刀具直径、粗糙度要求、斜面角度的关系式计算。步骤(3)用测头检测零件斜面轮廓点上的Z值，每个检测点设置在轮廓交点附近，检测运算方法同方案一的步骤(2)，检测顺序，按零件加工轨迹的顺序检测，按顺序保存记录，每点的δ′依次存储在连续的地址位，如存储在刀补地址位。步骤(4)中用另一把与半精加工一致的精加工刀具精加工复合斜面，加工参数与半精加工轮廓一致，分段补偿加工误差δ₁。即加工到检测点时，修改当前刀具补偿值，逐点修改每个加工理论轨迹交点刀具补偿值，刀具补偿值与该交点的检测误差值相应，即当加工到各检测轮廓层的各检测点时，在检测各点刀具磨损量的值依次修改。

本发明中，如零件有局部易变形部位，可在该部位增加检测和补偿点，用于修正局部变形误差。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)对于由主轴让刀或零件刚性不足带来的加工误差，本发明方案创造性地根据于类似工件具有相同的刚度或变形，通过设置检测点对该工件加工中出现的误差进行检测和计算并存储，以在下一个工件精加工时而采用采取相同的工艺和加工参数进行处理，并在相应检测点处利用上述误差进行实时补偿，从而大大提高轮廓的加工精度。

(2)对于精加工刀具磨损带来的轮廓加工误差，本发明中根据相同刀具在加工同一工件具有同样磨损效果的特点，通过在半精加工时在轮廓上设置检测点并通过测头获得检测误差并存储，以在精加工时采用与半精加工相同的另一把刀具进行，并并在相应检测点处利用上述误差进行实时补偿，从而大大提高轮廓的加工精度。

(3)本发明中将检测点的设置通过在切削行距方向进行均匀布置，使得轮廓整体加工精度和均匀性更好，而且在每个切削行处的检测点可设置多个，各检测点优选设置在各子轮廓相交点附近，这样可以是这些点作为相应型面控制点从而使得检测精度和加工精度更高。

(4)本发明的上述方法采用自适应补偿，可以有效降低由于刀具磨损、让刀产生的零件加工误差，提高零件加工精度和生产效率。

附图说明

图1是典型的立体型面卧式铣削工件的结构加工示意图；

图2是按照本发明实施例所构建的铣削精加工方法中的斜面横向铣削粗糙度示意图；

图3是按照本发明实施例所构建的铣削精加工方法中的复合斜面的加工轨迹示意图；

图4是按照本发明实施例所构建的铣削精加工方法中的复合斜面的检测点分布示意图；

图5是按照本发明实施例所构建的铣削精加工方法中的斜面检测示意图；

图6是按照本发明实施例所构建的铣削精加工方法中的测量误差计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的一个实施例所构建的一种立体型面件的铣削精加工方法，其针对在加工中主要由主轴让刀或零件刚性不足带来的加工误差进行立体型面件的铣削精加工。该方法通过前一个工件的铣削精加工获得该类工件由让刀产生的加工误差并进而对后一个工件进行补偿，从而克服难切削材料或大尺寸的立体型面件侧壁的加工中由于主轴让刀或工件刚性不足带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工。该方法具体包括如下步骤：

(1)装夹，按工艺完成前面工艺步骤，最后工步为用精加工刀具行切法精加工轮廓；以往工厂加工，多采用三个斜面按图1加工轨迹加工，本明的加工方法具体分为两个部分。

(a)斜面切削刀具选择和切削方向设计

如果斜面角度小，精加工刀具应选用平底R刀或平底刀，刀具轨迹沿斜面正方向切削。

(b)根据斜面切削横向粗糙度确定切削行距

精加工刀具选用平底R刀或平底刀，刀具轨迹沿斜面正方向切削，其投影在斜面横移方向上的表面残留值R_a′如图2。可用如下公式进行推算加工面的粗糙度R_a：

${R_a}^{\′}=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{{\mathrm{\α}}_e}{2}\right)}^2}$

R_a＝R_a′×sinα

其中，R为刀具半径；α_e为切削行宽；α为斜面与基准面夹角。

表面残留值R_a对应到斜面加工实际最大残留高度为R_a′×sinα(α为斜面倾角)，斜面倾角越小，表面粗糙度R_a越好。因此该值必须小于表面粗糙度的上限值加工后的斜面粗糙度方可满足设计要求。

推导得出步距与刀具直径、粗糙度要求、斜面角度的关系式：

${\mathrm{\α}}_e=\frac{2\sqrt{2{\mathrm{RR}}_a\sin \mathrm{\α}{R_a}^2}}{\sin \mathrm{\α}}$

如加工复合斜面，其精加工轨迹如图3，每一斜面分别加工，加工轨迹分别沿斜面的正方向，加工步距按步距与刀具直径、粗糙度要求、斜面角度的关系式计算。

(2)用测头按图4复合斜面的检测点分布图检测零件斜面轮廓点上的Z值，每个检测点设置在轮廓交点附近。检测点优选是在切削路径上沿行距方向上彼此间隔一定距离的多个切削行上选择，优选是相邻的切削行距离相等的切削行上进行选择，具体的距离可根据实际加工精度要求进行具体确定。

用雷尼绍提供的Z向平面误差检测方法，检测方向在Z轴平行线上，每点的检测方法见图5，比较工件实际尺寸与最终理论轮廓尺寸的法向误差量δ′。

由于测球与零件轮廓接触，触点不在过球心的XY平行面上(如图6)，其检测实际理论值与理论值的误差δ₀，并且

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{r}{\cos a}-r$

δ′＝δ-δ₀

其中，r为测球半径；a为斜面法向角；δ′为实际的各点轮廓检测误差；δ为测头测量显示值。

以上检测方法只适应于与水平基准成小斜度的检测，由于测量时调用的标定参数是XY平面的标定参数，用标准斜面进行了检测试验，得到以下经验修正数据(如表1)。

表1斜面检测误差经验修正数据

斜面角a	斜面检测误差修正值(mm)
		3°	0
5°	-0.005
		7°	-0.01
9°	-0.015

检测顺序，按零件加工轨迹的顺序检测，按顺序保存记录，每点的δ′依次存储在连续的地址位(如图4)，如存储在刀补地址位：#10020(设20号刀具长度补偿参数为起点)，#10021，#10022，#10023等。

(3)换一个零件装夹，按工艺完成前面工艺步骤。

(4)用精加工刀具精加工轮廓；加工参数与上一件工件精加工一致，分段补偿加工误差δ′，即加工每个斜面时，当加工到各检测点时，在检测各点刀具磨损量的值依次修改为#10020，#10021，#10022等。

按照本发明的另一个实施例所构建的一种立体型面件的铣削精加工方法，其针对在加工中主要由刀具磨损带来的加工误差进行立体型面件的铣削精加工。该方法通过对工件的铣削半精加工中获得该类工件由于刀具磨损产生的加工误差并进而在后续的精加工中采用相同的刀具并进行补偿，从而克服难切削材料或大尺寸的立体型面件的加工中由于刀具磨损带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工。该方法具体包括如下步骤：

(1)用粗加工刀具粗铣加工轮廓，留理论铣加工余量。

(2)用半精加工铣刀加工轮廓，留理论铣加工余量。加工参数和精加工的加工参数完全一致；半精加工刀具与精加工刀具成组使用，加工内容应保证一致，加工方法按方案1的步骤1，如加工复合斜面，其精加工轨迹见图3，每一斜面分别加工，加工轨迹分别沿斜面的正方向，加工步距按步距与刀具直径、粗糙度要求、斜面角度的关系式计算。

(3)用测头按图4复合斜面的检测点分布图检测零件斜面轮廓点上的Z值。

每个检测点设置在轮廓交点附近，检测运算方法同方案1的步骤2，检测顺序，按零件加工轨迹的顺序检测，按顺序保存记录，每点的δ′依次存储在连续的地址位(如图4)，如存储在刀补地址位：#10020(设20号刀具长度补偿参数为起点)，#10021，#10022，#10023，……。

检测点优选是在切削路径上沿行距方向上彼此间隔一定距离的多个切削行上选择，优选是相邻的切削行距离相等的切削行上进行选择，具体的距离可根据实际加工精度要求进行具体确定。

(4)用另一把与半精加工一致的精加工刀具精加工复合斜面，加工参数与半精加工轮廓一致，分段补偿加工误差δ₁。即加工到检测点时，修改当前刀具补偿值，逐点修改每个加工理论轨迹交点刀具补偿值，刀具补偿值与该交点的检测误差值相应，即当加工到各检测轮廓层的各检测点时，在检测各点刀具磨损量的值依次修改为#10020，#10021，#10022，……。如加工到第1个检测点时，#10001＝#12020(当前加工刀具为1号刀具)。

本发明中，如零件有局部易变形部位，可在该部位增加检测和补偿点，用于修正局部变形误差。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其通过前一个工件的铣削精加工获得该类工件由让刀产生的加工误差并进而对后一个工件进行补偿，从而克服难立体型面件表面的加工中由于主轴让刀或工件刚性不足带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工，其特征在于，该方法包括：

(1)装夹立体型面工件，并对加工表面进行逐层铣削加工，其中包括最后利用精加工刀具进行精加工，以获得加工后的工件轮廓，且该步骤中切削行距根据斜面切削横向粗糙度确定；

(2)对加工后的工件轮廓进行误差检测，即在切削行距方向上依次在加工面上的多个切削行处分别设置检测点，利用测头对所述各检测点进行检测，获得各检测点处由于让刀产生的实际检测值与理论值的误差，进而获得各检测点的实际轮廓检测误差；

(3)换装相同类型的另一个工件，并对其完成精加工前的各种加工工序；

(4)对该工件进行精加工，即选用精加工刀具并按照与前一个工件的加工参数一致的加工方式进行精加工，并在加工到所述各检测点时利用上述实际轮廓检测误差进行相应的刀具补偿，从而实现对立体型面件侧壁的铣削精加工。

2.根据权利要求1所述的一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其中，所述步骤(1)中，切削行距通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_e=\frac{2\sqrt{2{\mathrm{RR}}_a\sin \mathrm{\α}-{R_a}^2}}{\sin \mathrm{\α}}$

其中，α_e为切削行宽，R为刀具半径，R_a为表面粗糙度，α为加工表面与基准面夹角。

3.根据权利要求1或2所述的一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其中，各检测点的所述实际轮廓检测误差δ′为：

δ′＝δ-δ₀

其中，δ为测头测量显示值，δ₀为检测实际理论值与理论值的误差，δ₀＝r/cosα-r，r为测头测球半径，α为加工表面与基准面夹角。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其中，所述每个切削行上可设置多个不同的检测点，各检测点优选位于设置在该切削行处的表面轮廓横截面上的各轮廓线交点附近。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种立体型面件侧壁的铣削精加工方法，其中，所述检测点所在的各切削行在型面上沿行距方向上距离相等，以将检测点在切削路径上平均分布。

6.一种立体型面件的铣削精加工方法，其通过对工件的铣削半精加工中获得该类工件由由于刀具磨损产生的加工误差并进而在后续的精加工中采用相同的刀具并进行补偿，从而克服立体型面件的表面加工中由于刀具磨损带来的加工误差，实现对该类零件的精确加工，其特征在于，该方法包括：

(1)用粗加工刀具逐层粗铣加工工件表面轮廓，并预留铣加工余量；

(2)用半精加工刀具继续铣削加工轮廓，并预留铣加工余量；

(3)对半精加工后的工件轮廓进行误差检测，即在切削行距方向上依次在加工面上的多个切削行处分别设置检测点，利用测头对所述各检测点进行检测，获得各检测点处由于刀具磨损而产生的实际检测值与理论值的误差，进而获得各检测点的实际轮廓检测误差；

(4)用另一把与半精加工一致的精加工刀具对上述工件进行轮廓精加工，且加工参数与半精加工一致，并在加工到所述各检测点时利用上述实际轮廓检测误差进行相应地补偿，从而实现对立体型面件的铣削精加工。

7.根据权利要求6所述的一种立体型面件的铣削精加工方法，其中，所述步骤(1)中，切削行距通过如下公式确定：

${\mathrm{\α}}_e=\frac{2\sqrt{2{\mathrm{RR}}_a\sin \mathrm{\α}-{R_a}^2}}{\sin \mathrm{\α}}$

其中，α_e为切削行宽，R为刀具半径，R_a为表面粗糙度，α为加工表面与基准面夹角。

8.根据权利要求6或7所述的一种立体型面件的铣削精加工方法，其中，各检测点的所述实际轮廓检测误差δ′为：

δ′＝δ-δ₀

其中，δ为测头测量显示值，δ₀为检测实际理论值与理论值的误差，δ₀＝r/cosα-r，r为测头测球半径，α为加工表面与基准面夹角。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的一种立体型面件的铣削精加工方法，其中，所述每个切削行处可设置多个不同的检测点，各检测点优选位于设置在该切削行处的表面轮廓横截面上的各轮廓线交点附近。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的一种立体型面件的铣削精加工方法，其中，所述检测点所在的各切削行在型面上沿行距方向的距离相等，以将检测点在切削路径上平均分布。