CN108526492B - 一种基于ccd相机在位测量的换刀加工方法 - Google Patents

一种基于ccd相机在位测量的换刀加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，通过CCD相机测量得到圆环宽度，并根据该圆环宽度对工件加工平面的基准位置进行修正，以此为基准进行后续加工。在刀具磨损至一定程度后，通过将新换刀具顺序进行一次进给、计算和二次进给过程，实现加工深度为D的微结构阵列的精确加工。

Description

一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法
技术领域
本发明涉及超精密切削加工技术领域，特别是涉及一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法。
背景技术
在机械加工过程中，往往需要先确定基准面再进行加工。尤其是对于超精密切削加工领域，基准面的定位精确度直接影响加工精度。但是，单晶金刚石在超精密切削WC等超硬材料时刀具磨损严重，若以原有基准面进行加工，则难以完成高质量、大面积微纳阵列的切削加工。
现有技术主要采用减小切削厚度、采用大的负前角刀具以及对材料进行表面改性等方法，实现在超硬材料上的大面积、高质量微纳阵列的超精密切削加工。
在现有的解决方案中，无论是减小切削厚度还是采用大负前角的刀具，都是为了在刀具前刀面下方的材料上形成高压区，使材料转变为非晶态或者金属态，然后再将材料以延性的方式去除。虽然可以适当减小刀具磨损，但加工效率很低，仍然不能满足高效率、大面积微纳阵列的切削加工。
采用材料改性的方法可以将被加工材料的表层转变为较软的易加工材料，但该变性层的厚度难以保证均匀统一，且切削过程中很难保证切削的深度与变形层的厚度保持一致。因此当切削深度大于变性层厚度时，刀尖相当于直接加工硬材料，刀具磨损严重；当切削深度小于变性层厚度时，刀具磨损可有效避免，但工件表面残留变性层导致工件硬度、强度等性能下降，不能满足使用要求。
因此，如何提供一种新的加工方法，以实现在超硬材料上高质量、大面积微纳阵列的加工，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，以实现在超硬材料上高质量、大面积微纳阵列的加工。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，包括以下步骤：
1)将工件固定于机床上，然后用单晶金刚石圆弧车刀对工件表面进行平整车削；
2)利用金刚石三角成型车刀垂直于工件表面进行对刀环切削加工，形成圆环，以工件加工平面的法线为坐标轴Z，此时刀尖位置设为基准点Z1；
3)利用在线CCD相机测量系统测量圆环的宽度T；
4)设工件加工平面的位置为Z0，圆环的深度为Z2，则根据Z0＝Z1+Z2得到工件加工平面的位置，以Z0为基准进行后续加工；
对于刀具尖角夹角为2α的三角成形尖刀，Z2＝T/(2tanα)；
对于主切削刃长度为T0、主切削刃与副切削刃夹角为90°+α的梯形成形刀，Z2＝(T-T0)/(2Tanα)
对于圆弧半径为R的圆弧形刀具，Z2＝R-(R2-T2/4)0.5；
5)刀具磨损后，更换金刚石三角成型车刀或者将金刚石三角成型车刀的刀刃磨后重新装上，用以加工深度为D的微结构阵列：首先，重新利用金刚石三角成型车刀对工件加工平面进行对刀环切削加工；然后，利用在线CCD相机测量系统测量圆环的宽度T1；接着，将金刚石三角成型车刀进给D1深度；
对于刀具尖角夹角为2β的三角成形尖刀，D1＝D-T1/(2tanβ)；
对于主切削刃长度为T2、主切削刃与副切削刃夹角为90°+β的梯形成形刀，D1＝D-(T1-T2)/(2Tanβ)；
对于圆弧半径为R1的圆弧形刀具，D1＝D-R1+(R1 2-T1 2/4)0.5。
优选地，工件通过真空吸盘固定于机床上。
优选地，在固定工件之前，用单点金刚石刀将真空吸盘的吸附面车削平整。
优选地，真空吸盘为铝合金吸盘。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过CCD相机测量得到圆环宽度，并根据该圆环宽度对工件加工平面的基准位置进行修正，以此为基准进行后续加工，首先，在原理上避免了对刀带来的误差，实现高精度尺寸微结构阵列的切削加工；其次，避免了铣削基准面时消耗的时间成本，提高了加工效率，降低了加工成本；而且，当被加工材料为超硬材料时，该方法也避免了铣削基准面对刀具的磨损。
在刀具磨损至一定程度后，新换刀具往往与原刀具的尺寸参数存在偏差。本发明的步骤5通过将新换刀具顺序进行一次进给、计算和二次进给过程，能够实现加工深度为D的微结构阵列的精确加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于CCD相机在位测量的换刀加工方法的步骤1的示意图；
图2为本发明基于CCD相机在位测量的换刀加工方法的步骤2的示意图；
图3为本发明基于CCD相机在位测量的换刀加工方法的步骤3的示意图；
图4为步骤5中进行对刀环切削加工的示意图；
图5为步骤5中测量圆环宽度的示意图；
图6为步骤5的加工效果示意图；
图7为步骤4中三角成形尖刀的计算原理示意图；
图8为步骤4中梯形成形刀的计算原理示意图；
图9为步骤4中圆弧形刀具的计算原理示意图；
附图标记说明：1工件，2单晶金刚石圆弧车刀，3真空吸盘，4在线CCD相机测量系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，以实现在超硬材料上高质量、大面积微纳阵列的加工。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-9所示，本实施例提供一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，包括以下步骤：
1)如图1所示，将工件1固定于机床上，然后用单晶金刚石圆弧车刀2对工件1表面进行平整车削，以便于进行后续加工。
2)如图2所示，利用金刚石三角成形车刀对工件1加工平面进行对刀环切削加工，形成圆环，以工件1加工平面的法线为坐标轴Z，此时刀尖位置设为基准点Z1。
3)如图3所示，利用在线CCD相机测量系统4测量圆环的宽度T。
4)设工件1加工平面的位置为Z0，圆环的深度为Z2，则根据Z0＝Z1+Z2得到工件1加工平面的位置，以Z0为基准进行后续加工。
需要说明的是，步骤2)中金刚石三角成形车刀可以是三角成形尖刀，也可以是圆弧形刀具或梯形成形刀。对于不同类型的金刚石三角成形车刀，其对应的Z2的计算方法也不相同：
对于刀具尖角夹角为2α的三角成形尖刀，Z2＝T/(2tanα)，计算原理如图7所示；
对于主切削刃长度为T0、主切削刃与副切削刃夹角为90°+α的梯形成形刀，Z2＝(T-T0)/(2Tanα)，计算原理如图8所示；
对于圆弧半径为R的圆弧形刀具，Z2＝R-(R2-T2/4)0.5，计算原理如图9所示。
5)刀具磨损后，更换金刚石三角成型车刀或者将金刚石三角成型车刀的刀刃磨后重新装上，用以加工深度为D的微结构阵列。因为在步骤4)中已经完成的工件1加工平面的定位，所以步骤5)的目的主要是确定新换刀具的进给深度：
首先，如图4所示，重新利用金刚石三角成型车刀对工件1加工平面进行对刀环切削加工；然后，如图5所示，利用在线CCD相机测量系统4测量圆环的宽度T1；接着，将金刚石三角成形车刀进给D1深度；
对于刀具尖角夹角为2β的三角成形尖刀，D1＝D-T1/(2tanβ)；
对于主切削刃长度为T2、主切削刃与副切削刃夹角为90°+β的梯形成形刀，D1＝D-(T1-T2)/(2Tanβ)；
对于圆弧半径为R1的圆弧形刀具，D1＝D-R1+(R1 2-T1 2/4)0.5。
步骤5)通过采取两次进给的方式，在第一次进给后根据相关尺寸进行计算，得到第二次进给量，从而实现加工深度为D的微结构阵列的精确加工，加工效果如图6所示，其计算原理与步骤4相同。
进一步的，上述步骤1)中工件1固定于机床上的方式有多种。本实施例中，工件1通过真空吸盘3固定于机床上，以节约加工成本，简化操作步骤。
为了提高定位精度，在固定工件1之前，先用单点金刚石刀将真空吸盘3的吸附面车削平整。真空吸盘3优选为铝合金吸盘，也可以选用其它材质。
根据修正计算得到Z0的值后，即可确定工件1加工平面的实际位置，并以此为基准进行后续加工。当加工深度为D的微结构阵列时，只需将刀具偏离Z0位置D深度，即可完成高精度几何尺寸微结构阵列的加工。
通过采用上述超精密对刀法进行加工，首先，在原理上避免了对刀带来的误差，实现高精度尺寸微结构阵列的切削加工；其次，避免了铣削基准面时消耗的时间成本，提高了加工效率，降低了加工成本；而且，当被加工材料为超硬材料时，该方法也避免了铣削基准面对刀具的磨损；另外，该方法突破了成型尖刀无法精确对刀的技术难题，实现了现有对刀方法无法达到的技术效果。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将工件固定于机床上，然后用单晶金刚石圆弧车刀对工件表面进行平整车削；
2)利用金刚石三角成型车刀垂直于工件表面进行对刀环切削加工，形成圆环，以工件加工平面的法线为坐标轴Z，此时刀尖位置设为基准点Z1；
3)利用在线CCD相机测量系统测量圆环的宽度T；
4)设工件加工平面的位置为Z0，圆环的深度为Z2，则根据Z0＝Z1+Z2得到工件加工平面的位置，以Z0为基准进行后续加工；
对于刀具尖角夹角为2α的三角成形尖刀，Z2＝T/(2tanα)；
对于主切削刃长度为T0、主切削刃与副切削刃夹角为90°+α的梯形成形刀，Z2＝(T-T0)/(2Tanα)
对于圆弧半径为R的圆弧形刀具，Z2＝R-(R2-T2/4)0.5；
5)刀具磨损后，更换金刚石三角成型车刀或者将金刚石三角成型车刀的刀刃磨后重新装上，用以加工深度为D的微结构阵列：首先，重新利用金刚石三角成型车刀对工件加工平面进行对刀环切削加工；然后，利用在线CCD相机测量系统测量圆环的宽度T1；接着，将金刚石三角成型车刀进给D1深度；
对于刀具尖角夹角为2β的三角成形尖刀，D1＝D-T1/(2tanβ)；
对于主切削刃长度为T2、主切削刃与副切削刃夹角为90°+β的梯形成形刀，D1＝D-(T1-T2)/(2Tanβ)；
对于圆弧半径为R1的圆弧形刀具，D1＝D-R1+(R1 2-T1 2/4)0.5。
2.根据权利要求1所述的基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，其特征在于，工件通过真空吸盘固定于机床上。
3.根据权利要求2所述的基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，其特征在于，在固定工件之前，用单点金刚石刀将真空吸盘的吸附面车削平整。
4.根据权利要求3所述的基于CCD相机在位测量的换刀加工方法，其特征在于，真空吸盘为铝合金吸盘。
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