CN104714475A - 一种高效曲面直接数控加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效曲面直接数控加工方法，以特征直纹面插补作为最小插补单位，代替传统的点位插补和曲线插补作为基本插补单位的方法；在可以实现刀具的摆动、回转及回转半径调整的数控机床上，以圆柱形铣刀周刃对工件进行加工，可直接成型平面、柱面、锥面、螺旋面等直纹面；以直纹面插补指令为基本加工指令，可在一条数控插补代码下实现带有曲线边界的特征直纹面的高效数控加工；以这些特征直纹面为基本单元，实现对其他曲面的拟合，在可实现复合面加工指令的数控机床上完成加工。本发明数控加工方法，可用于数控铣削精加工、光整加工、数控车铣加工、数控电解加工和数控电火花加工等机械的数控精加工领域。

Description

一种高效曲面直接数控加工方法
技术领域
本发明涉及数控机械加工领域，尤其涉及一种高效曲面直接数控加工方法。
背景技术
目前，各种已知的曲面数控加工技术如铣削、磨削等加工都是采用点、线作为对加工曲面逼近或拟合的基本单元，即先将曲面根据加工精度需要分割成较小的平面片或曲面片，再将这些小的面以数控机床可以直接实现的点和线来进行刀具路径规划，相邻刀位间的距离由加工精度决定，精度越高，刀位就越密，刀位数据就越多，加工时间就越长。在这种加工方式中，加工效率与误差控制一直是一对难以调和的矛盾。
近年来，线接触加工由于其具有加工表面质量好、加工效率高而成为研究热点。如蔡永林等人发表在西安交通大学学报2004年第38卷第5期517～520的“任意扭曲直纹面叶轮数控侧铣刀位计算与误差分析”、Menzel，Cornelia等发表在CADComputer Aided Design 2004年第36卷第3期289-296“Triple tangent flank millingof ruled surfaces”。Chu Chih-Hsing等人发表在International Journal of AdvancedManufacturing Technology 2006年第29卷第7-8期707-713上的“Tool path planningfor five-axis flank milling with developable surface approximation”提出了用可展曲面逼近的方法规划五轴侧铣加工的刀具路径。这些研究主要集中于对扭曲直纹面及自由曲面的加工，分析由于加工方法本身所产生的加工误差，以及基于误差分析的刀位优化方法。所涉及的侧铣加工方法改善了加工条件，但其加工曲面的方法还是以点、线方式规划刀具路径，用刀具侧刃实现切削，加工效率同传统五轴点加工方法相比没有质的飞跃。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效曲面直接数控加工方法，用以克服上述技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种高效曲面直接数控加工方法，该具体过程为：
步骤a，根据加工件的曲面特征，将该曲面转化成直纹面，并编写数控加工代码；
步骤b，将加工件的空间直纹面的数控加工代码输入到数控系统；
步骤c，通过数控系统控制加工机床使刀具轴线矢量平行于直纹面的起始线的矢量；
步骤d，控制刀具主轴旋转；
步骤e，调整工件或刀具位置，使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；
步骤f，控制数控机床进给运动，切削时使刀具侧刃始终与该直纹面切触，并使刀具底刃始终沿着曲面导动线运动；
步骤g，完成曲面加工全过程，各轴回位。
进一步地，加工平面时，在进行前述步骤c时，先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；在步骤f时，根据机床结构控制工件进给或刀具进给实现直线进给，控制刀具轴向进给，使刀具顶刃始终与平面边界保持切触从而完成加工。
进一步地，加工柱面时，根据机床结构情况采用刀具回转进给或采用工件回转进给实现加工；在进行步骤c时，具体要调整机床进给回转轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量；进行步骤f时，刀具轴线始终运行在该柱面的刀具半径等距面上。
进一步地，加工锥面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，再调整刀具回转进给运动半径等于工件锥面的起始回转半径；进行步骤e时，调整刀具绕回转轴的夹角即起始锥角，再调整刀具轴向位置使得侧刃与工件的加工起始线相切触。
进一步地，加工螺旋面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，控制刀具回转进给运动半径等于工件圆锥面的回转半径；进行步骤e时，再调整刀具轴线矢量与直纹面起始线矢量相同，再调整刀具径向位置使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；最后，刀具的周向进给轴C轴、工件的直线进给轴Z轴以及刀具轴线轴W轴三轴联动加工，使刀具侧刃沿螺旋面运动，同时使刀具沿刀具轴线进给，使刀具底端沿工件螺旋面内侧运动，直到终止角度完成螺旋面加工。
进一步地，加工非可展直纹面时，首先需要用前述可直接加工的直纹面对该非直纹面进行逼近，即根据加工粗糙度的要求，将非直纹面分割成一层层平面上的曲线，找到每一层平面曲线上各点上原曲面的法矢量，找到一条条与该层曲线相切，且与曲线上各点的法矢量相垂直的刀位，用前述可直接加工的直纹面顺序连接这些刀位形成直纹面，用以逼近各层曲线附近的曲面；做这些逼近直纹面的等距面；刀具沿该等距面运动，即可完成对该非直纹面的加工。
进一步地，刀具为铣削刀具，磨削刀具，或由抛光头构成，或由切割头构成，或由电加工阴极单元构成，可用于磨削加工、光整加工、电解加工以及电加工与机械复合加工。
与现有技术相比较本发明的有益效果在于：由于本发明用直纹面插补作为插补单位，采用刀具侧刃加工，刀具路径最短，因此加工时间最短。同时，各加工点的刀具转速相同，加工质量高。在加工空间平面、圆锥面和柱面时，不存在理论误差，最终的加工误差也仅来自机械误差。因而加工时间短、效率高、精度高。
本发明的数控加工方法，改变传统的点位插补和曲线插补的方法，以直纹面作为数控插补的最小加工单位，刀具路径最短，提高了加工效率；以刀具侧刃按照线接触加工方式加工工件的曲面，各加工点的刀具转速相同，加工质量高；并且刀具侧刃运动形成的曲面与被加工的直纹面没有理论误差，可达到高精度的数控加工；以复合面插补指令为特征，实现了单指令完成一个典型曲面的加工控制。
附图说明
图1是本发明的曲面直接数控加工方法示意图。其中1是刀具，2是被加工直纹面，3是检查面，4是导动线；
图2是本发明的平面的曲面直接数控加工示意图；
图3是本发明的圆柱面的曲面直接数控加工示意图；
图4是本发明的锥面的曲面直接数控加工示意图；
图5是本发明的螺旋面的曲面直接数控加工示意图；
图6是本发明的非可展直纹面的曲面逼近示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
本发明的实现作为一种曲面直接数字控制加工方法，其具体的步骤有：
步骤a，根据加工件的曲面特征编写数控加工代码；
步骤b，将加工件的空间直纹面的数控加工代码输入到数控系统；
步骤c，通过数控系统控制加工机床使刀具轴线矢量平行于直纹面的起始线的矢量；
步骤d，控制刀具主轴旋转；
步骤e，调整工件或刀具位置，使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；
步骤f，控制数控机床进给运动，切削时使刀具侧刃始终与该直纹面切触，并使刀具底刃始终沿着曲面导动线运动；
步骤g，完成曲面加工全过程，各轴回位。
本发明的数字控制线接触曲面加工方法可实现用一条数控代码就可以加工一种特定的直纹面。
本发明的实现还在于加工平面时，在进行前述步骤c时，先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；在步骤f时，根据机床结构控制工件进给或刀具进给实现直线进给，控制刀具轴向进给，使刀具顶刃始终与平面边界保持切触从而完成加工。
本发明的实现还在于加工柱面时，可根据机床结构情况采用刀具回转进给或采用工件回转进给实现加工。在进行步骤c时，具体要调整机床进给回转轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量；进行步骤f时刀具轴线始终运行在加工面的等距面上，刀具底刃始终沿着导动线运动。
本发明的实现还在于加工锥面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，再调整刀具回转进给运动半径等于工件锥面的起始回转半径；进行步骤e时，调整刀具绕回转轴的夹角即起始锥角，再调整刀具轴向位置使得侧刃与工件的加工起始线相切触。
本发明的实现还在于加工螺旋面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，控制刀具回转进给运动半径等于工件圆锥面的回转半径；进行步骤e时，再调整刀具轴线矢量与直纹面起始线矢量相同，再调整刀具径向位置使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；最后，刀具的周向进给轴C轴、工件的直线进给轴Z轴以及刀具轴线轴W轴三轴联动加工，使刀具侧刃沿螺旋面运动，同时使刀具沿刀具轴线进给，使刀具底端沿工件螺旋面内侧运动，直到终止角度完成螺旋面加工。
本发明的实现还在于加工曲面为非可展直纹面时，首先需要用前述可直接加工的直纹面对该非直纹面进行逼近。即根据加工粗糙度的要求，将非直纹面分割成一层层平面上的曲线，找到每一层平面曲线上各点上原曲面的法矢量，找到一条条与该层曲线相切，且与曲线上各点的法矢量相垂直的刀位，用前述可直接加工的直纹面顺序连接这些刀位形成直纹面，用以代替各层曲线附近的曲面；做这些逼近直纹面的刀具半径等距面；刀具沿该等距面运动，即可完成对该非直纹面的加工。。
本发明的实现还在于刀具可以是铣削刀具，也可以是磨削刀具，或由抛光头构成，或由切割头构成，或由线电极电加工阴极单元构成，可用于磨削加工、光整加工及、电解加工以及电加工与机械的复合加工。
以大圆半径为40mm、小圆半径为38mm、高度为8mm的圆锥面，铣刀半径为10mm，给定加工误差不大于1μm为例，分析对比本高效曲面直接数控加工方法与五轴联动点接触加工方法的加工效率。五轴联动点接触加工时，若采用球头铣刀，采用轮廓线法加工时需要加工时间为274秒，采用行切法时，需要321秒，而采用本方法加工时，只需要加工时间10秒，且不存在理论误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，该具体过程为：
步骤a，根据加工件的曲面特征，将该曲面转化成直纹面，并编写数控加工代码；
步骤b，将加工件的空间直纹面的数控加工代码输入到数控系统；
步骤c，通过数控系统控制加工机床使刀具轴线矢量平行于直纹面的起始线的矢量；
步骤d，控制刀具主轴旋转；
步骤e，调整工件或刀具位置，使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；
步骤f，控制数控机床进给运动，切削时使刀具侧刃始终与该直纹面切触，并使刀具底刃始终沿着曲面导动线运动；
步骤g，完成曲面加工全过程，各轴回位。
2.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，加工平面时，在进行前述步骤c时，先调整刀具轴线与工件加工平面平行，刀具轴线与加工平面距离等于刀具半径；
在步骤f时，根据机床结构控制工件进给或刀具进给实现直线进给，控制刀具轴向进给，使刀具顶刃始终与平面边界保持切触从而完成加工。
3.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，加工柱面时，根据机床结构情况采用刀具回转进给或采用工件回转进给实现加工；
在进行步骤c时，要调整机床进给回转轴使刀具轴线矢量方向等于柱面直母线矢量；
进行步骤f时，刀具轴线始终运行在该柱面的刀具半径等距面上。
4.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，加工锥面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，再调整刀具回转进给运动半径等于工件锥面的起始回转半径；
进行步骤e时，调整刀具绕回转轴的夹角即起始锥角，再调整刀具轴向位置使得侧刃与工件的加工起始线相切触。
5.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，加工螺旋面时，在进行步骤c时，还要调整工件位置使其回转轴线与刀架回转轴线重合，控制刀具回转进给运动半径等于工件圆锥面的回转半径；
进行步骤e时，再调整刀具轴线矢量与直纹面起始线矢量相同，再调整刀具径向位置使得刀具的侧刃与工件的加工起始线相切触；
最后，刀具的周向进给轴C轴、工件的直线进给轴Z轴以及刀具轴线轴W轴三轴联动加工，使刀具侧刃沿螺旋面运动，同时使刀具沿刀具轴线进给，使刀具底端沿工件螺旋面内侧运动，直到终止角度完成螺旋面加工。
6.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，加工非可展直纹面时，首先需要用前述可直接加工的直纹面对该非直纹面进行逼近，即根据加工粗糙度的要求，将非直纹面分割成一层层平面上的曲线，找到每一层平面曲线上各点上原曲面的法矢量，找到一条条与该层曲线相切，且与曲线上各点的法矢量相垂直的刀位，用前述可直接加工的直纹面顺序连接这些刀位形成直纹面，用以代替各层曲线附近的曲面；做这些逼近直纹面的刀具半径等距面；刀具沿该等距面运动，即可完成对该非直纹面的加工。
7.根据权利要求1所述的高效曲面直接数控加工方法，其特征在于，刀具为铣削刀具，磨削刀具，或由抛光头构成，或由切割头构成，或由线电极等电加工阴极单元构成，可用于磨削加工、光整加工、电解加工以及电加工与机械的复合加工。
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