CN112170864B - 一种具有等距型面工件的车削加工方法 - Google Patents

Abstract

一种具有等距型面工件的车削加工方法，步骤如下：装夹并准备工件毛坯；加工时车刀向卡盘方向做轴向进给运动，并在工件径向做往复运动；工件每转动一周车刀在工件轴向方向按给定进给量移动指定距离f_a，在工件径向往复运动N次；实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动；N取≥2的自然数；工件连续旋转，同时车刀连续做轴向进给运动和径向往复运动，直至加工长度达到轴向尺寸要求；并最终完成一次完整表面的加工；根据粗、精加工要求，分别选择适合的切削深度，确定切削层数并逐层切削，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。本发明所述加工方法在普通两轴数控车床上就能实现，加工设备要求低，综合技术效果良好。

Description

一种具有等距型面工件的车削加工方法

技术领域

本发明涉及一种具有等距型面工件的车削加工方法，具体涉及一种利用普通两轴数控车床加工等距型面工件的方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

传统等距型面工件加工采用靠模仿型法和机械式运动合成法实现，这类方法加工精度不高，制造柔性差，生产效率低。目前，通常在三轴以上加工中心上，采用车削或铣削方式完成等距型面的加工，这类加工方法提高了等距型面的加工精度和生产效率，但由于加工中心使用成本较高，大幅提高了加工成本在零件制造成本中的占比，也使得一些加工中心较少的小微加工企业不得不放弃这类产品的生产订单。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种以普通二轴数控车床车削加工等距型面工件的加工方法，完成等距型面的低成本、高效率、高精度加工。

本发明一种具有等距型面工件的车削加工方法，其特征在于：其依次使用以下步骤对具有等距型面的工件进行车削加工：

①在两轴数控车床的卡盘上装夹圆棒料，依据所要加工的等距型面尺寸粗车工件毛坯，直至直径达到符合要求的尺寸D；

②车刀退回到加工原点，车床主轴停止；该加工原点被设定在车床尾台一侧；

③车刀沿工件轴向从加工原点向卡盘方向移动，逐渐接近工件远离卡盘一侧的端面，到达与端面距离为L的平行面H后停止轴向移动；之后车刀在平面H内沿工件径向进刀，并使刀尖在径向深入工件毛坯表面达到吃刀深度S，设定此时车刀刀尖位置为起刀点P₀；

④启动车床主轴，车刀开始向卡盘方向做轴向进给运动，并在工件径向做往复运动；且工件每转动一周，车刀在工件轴向方向按给定进给量移动指定距离f_a，在工件径向往复运动N次；在此过程中通过G32指令实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动；N取≥2的自然数；

⑤按照前述④的要求，工件连续旋转，同时车刀连续做轴向进给运动和径向往复运动，直至外表面加工长度达到轴向尺寸要求，且车刀刀尖回到起刀点P₀的角位置；车刀沿径向退出，同时主轴停止；随后，车刀沿轴向返回L位置，完成一次完整表面的加工；

⑥重复上述的步骤③、步骤④、步骤⑤；根据粗、精加工要求，分别选择适合的切削深度，确定切削层数并逐层切削，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。

本发明所述等距型面工件车削加工方法，优选要求保护的技术内容是：

所述等距型面工件车削加工方法满足下述要求之一或组合：

其一，在上述步骤①中满足下列表达式要求：

D＝2(R_d+A)

其中：D为等距型面加工工序之前须满足要求的工件毛坯直径；R_d为型面大径，A为等距型面廓形大径位置的毛坯余量；

其二，在步骤③中，起刀点P₀在等距型面廓形中的角位置与等距型面小径R_x的角位置相同；

其三，在步骤③中吃刀深度S为最大切削深度a_pmaxi，在步骤⑥中逐层完成全部切削加工后，最大切削深度a_pmaxi符合下列表达式，

其中，n为切削层数，其他符号含义如前文所述；

其四，在步骤④中，实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动的具体要求是：使用数控车削加工G32指令进行连续逐段拟合加工。

在步骤④中，通过G32指令实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动；N取≥3的自然数；

在步骤④中，G32指令的代码格式为：

G32 X Z F Q

其中：X为拟合加工段终止点的极径，Z为拟合加工段终止点Z轴坐标，F为主轴旋转一圈X方向的增量，Q为拟合加工段起始点极角。

加工过程中使用的G32指令满足下述要求之一或组合：

其一，G32指令的参量X、Z、F、Q通过编制宏程序进行精确计算赋值；

其二，G32指令中X参量的赋值为拟合加工段终点P_i在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径ρ_i，其符合下列表达式要求：

其中，x_i，y_i分别为拟合加工段终点P_i的X、Y两个方向的坐标；

其三，G32指令中Z的赋值为拟合加工段终点P_i的Z坐标z_i符合下列表达式：

其中，z_i-1为拟合加工段起点P_i-1的Z坐标，f_a为车削加工的每转进给量，

分别为拟合加工段起点、终点的极角；

其四，G32中F的赋值为主轴旋转一圈X方向的增量，f_i满足下列表达式：

其中，ρ_i为拟合加工段终点P_i在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径，ρ_i-1为拟合加工段起点P_i-1在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径；

其五，G32中Q的赋值为拟合加工段起点P_i-1的极角

符合下列表达式：

其中，x_i-1，y_i-1为拟合加工段起点P_i-1的X、Y坐标。

综上，本发明的等距型面工件车削加工方法与现有技术相比的优点是：

(1)可实现在普通两轴数控车床上加工等距型面，大大降低了对加工设备的要求，节省了加工设备的使用成本。

(2)通过精确的计算，为加工中G32代码的各参量赋值，保证了等距型面廓形了拟合精度，实现了高加工精度、高成品率和高生产效率。

附图说明

图1车削等距三边型面工件时车刀的起刀点及运动参数的原理示意简图；

图2为逐段拟合时车刀执行G32代码的轨迹示意图；

图3车削等距三边型面工件，逐段拟合时计算G32代码参量X、Z、F、Q的坐标系及其变量示意图；

图4为逐段拟合时对G32代码参量赋值的宏程序流程图；

图5车削等距三边型面工件，实施例1逐层切削的刀具轨迹示意图；

图6车削等距五边型面工件，实施例2逐层切削的刀具轨迹示意图；

图7车削等距七边型面工件，实施例3逐层切削的刀具轨迹示意图。

具体实施方式

实施例1

加工大径50mm，小径41.38mm的等距三边型面工件。如图1-5所示，以加工等距三边型面工件为例，本实施例的工艺步骤：

1)在具有X、Z轴的普通两轴数控车床卡盘上装夹直径103mm圆棒料，选择普通外圆车刀进行粗车削加工。根据标准切削手册，车床主轴转速选定为300r/min，轴向进给量选定为0.5mm/r。依据所要加工的等距型面大径尺寸50mm及选定预留余量0.5，确定切削深度(背吃刀量)为1.0mm。

2)车削棒料长度达到要求后，车刀退回到加工原点，车床主轴停止。粗车削完成，得到直径D为101mm的毛坯。

3)本实施例中大径50mm，小径41.38mm，选定预留余量0.5mm，计算可得

的数值为9.12mm。根据标准切削手册及实际车削经验，选择四刀粗车、一刀精车完成9.12mm余量的加工。具体切削参数如下表：

表1 车削加工切削参数

车刀沿工件轴向从加工原点向卡盘方向移动，逐渐接近工件面向尾台一侧的端面。根据接近端面的形状精度和位置精度，选定轴向运动停止时车刀与端面的距离L。本实施例设定端面平面度及其与轴线的垂直度较高，选定车刀到达与端面的距离为L＝1mm的平行面H时停止轴向运动。

随后，车刀沿径向进刀，并使刀尖在径向深入工件毛坯表面达到吃刀深度3mm，设定此时车刀刀尖位置为起刀点P₀。

4)启动车床主轴，从起刀点P₀开始，车刀在G32指令的控制下开始向卡盘方向做轴向进给运动，并在工件径向做往复运动。此过程中通过宏程序把完整的等距三边型面廓形按每份对应1°圆心角划分成360小段，逐段拟合进行加工。拟合加工每一段廓形时G32指令的参量X、Z、F、Q都通过宏程序进行精确计算赋值。工件转动一周后，车刀在轴向方向按给定进给量移动距离f_a，在径向往复运动3次。

5)工件连续旋转，车刀连续做轴向进给运动和径向往复运动，直至外表面加工长度达到轴向尺寸要求，且车刀刀尖到达起刀点P₀的角位置，车刀沿径向退出，同时主轴停止。随后，车刀沿轴向返回L位置，完成一次完整表面的加工。

6)按表1所述车削参数，重复上述第3、4、5步骤，逐层完成第二、三、四次粗车和精车，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。

实施例2

参照实施例1及其对应附图，并参照图6所示，加工大径50mm，小径46.10mm的等距五边型面工件。具体的加工方法说明如下：

1)在具有X、Z轴的普通两轴数控车床卡盘上装夹直径103mm圆棒料，选择普通外圆车刀进行粗车削加工。根据标准切削手册，车床主轴转速选定为300r/min，轴向进给量选定为0.5mm/r。依据所要加工的等距型面大径尺寸50mm及选定预留余量0.5，确定切削深度(背吃刀量)为1.0mm。

2)车削棒料长度达到要求后，车刀退回到加工原点，车床主轴停止。粗车削完成，得到直径D为101mm的毛坯。

3)本实施例中大径50mm，小径46.10mm，选定预留余量0.5mm，计算可得

的数值为4.40mm。根据标准切削手册及实际车削经验，选择三刀粗车、一刀精车完成4.40mm余量的加工。具体切削参数如下表：

表2 车削加工切削参数

4)按表2所述车削参数，采用实施例1所述车削方法，逐层完成三次粗车和一次精车，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。与实施例1不同，车削过程中工件转动一周，车刀在径向往复运动5次。

实施例3

参照实施例1及其对应附图，并参照图7所示，加工大径50mm，小径48.03mm的等距七边型面工件。具体的加工方法说明如下：

1)在具有X、Z轴的普通两轴数控车床卡盘上装夹直径103mm圆棒料，选择普通外圆车刀进行粗车削加工。根据标准切削手册，车床主轴转速选定为300r/min，轴向进给量选定为0.5mm/r。依据所要加工的等距型面大径尺寸50mm及选定预留余量0.5，确定切削深度(背吃刀量)为1.0mm。

2)车削棒料长度达到要求后，车刀退回到加工原点，车床主轴停止。粗车削完成，得到直径D为101mm的毛坯。

3)本实施例中大径50mm，小径48.03mm，选定预留余量0.5mm，计算可得

的数值为2.47mm。根据标准切削手册及实际车削经验，选择两刀粗车、一刀精车完成2.47mm余量的加工。具体切削参数如下表：

表3 车削加工切削参数

4)按表3所述车削参数，采用实施例1所述车削方法，逐层完成两次粗车和一次精车，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。与实施例1不同，车削过程中工件转动一周，车刀在径向往复运动7次。

如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出其他类似的技术方案，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种具有等距型面工件的车削加工方法，其特征在于：其依次使用以下步骤对具有等距型面的工件进行车削加工：

①在两轴数控车床的卡盘上装夹圆棒料，依据所要加工的等距型面尺寸粗车工件毛坯，直至直径达到符合要求的尺寸D；

②车刀退回，车床主轴停止；加工原点被设定在车床尾台一侧；

③车刀沿工件轴向向卡盘方向移动，逐渐接近工件远离卡盘一侧的端面，到达与端面距离为L的平行面H后停止轴向移动；之后车刀在平面H内沿工件径向进刀，并使刀尖在径向深入工件毛坯表面达到吃刀深度S，设定此时车刀刀尖位置为起刀点P₀；

④启动车床主轴，车刀开始向卡盘方向做轴向进给运动，并在工件径向做往复运动；且工件每转动一周，车刀在工件轴向方向按给定进给量移动指定距离f_a，在工件径向往复运动N次；在此过程中实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动；N取≥2的自然数；

⑤按照前述④的要求，工件连续旋转，同时车刀连续做轴向进给运动和径向往复运动，直至外表面加工长度达到轴向尺寸要求，且车刀刀尖回到起刀点P₀的角位置；车刀退出，完成一次完整表面的加工；

⑥重复上述的步骤③、步骤④、步骤⑤；根据粗、精加工要求，分别选择适合的切削深度，确定切削层数并逐层切削，最终按尺寸要求完成等距型面的全部加工。

2.根据权利要求1所述等距型面工件车削加工方法，其特征在于：所述等距型面工件车削加工方法满足下述要求之一或组合：

其一，在上述步骤①中满足下列表达式要求：

D＝2(R_d+A)

其中：D为等距型面加工工序之前须满足要求的工件毛坯直径；R_d为型面大径，A为等距型面廓形大径位置的毛坯余量；

其二，在步骤③中，起刀点P₀在等距型面廓形中的角位置与等距型面小径R_x的角位置相同；

其三，在步骤③中吃刀深度S为最大切削深度a_pmaxi，在步骤⑥中逐层完成全部切削加工后，最大切削深度a_pmaxi符合下列表达式，

其中，n为切削层数，其他符号含义如前文所述；

其四，在步骤④中的具体要求是：使用数控车削加工G32指令进行连续逐段拟合加工。

3.根据权利要求2所述等距型面工件车削加工方法，其特征在于：

在步骤④中，通过G32指令实现车刀轴向运动、径向运动与工件转动的联动；N取≥3的自然数；

在步骤④中，G32指令的代码格式为：

G32 X Z F Q

其中：X为拟合加工段终止点的极径，Z为拟合加工段终止点Z轴坐标，F为主轴旋转一圈X方向的增量，Q为拟合加工段起始点极角。

4.根据权利要求3所述等距型面工件车削加工方法，其特征在于：加工过程中使用的G32指令满足下述要求之一或组合：

其一，G32指令的参量X、Z、F、Q通过编制宏程序进行精确计算赋值；

其二，G32指令中X参量的赋值为拟合加工段终点P_i在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径ρ_i，其符合下列表达式要求：

其中，x_i，y_i分别为拟合加工段终点P_i的X、Y两个方向的坐标；

其三，G32指令中Z的赋值为拟合加工段终点P_i的Z坐标z_i符合下列表达式：

其中，z_i-1为拟合加工段起点P_i-1的Z坐标，f_a为车削加工的每转进给量，

分别为拟合加工段起点、终点的极角；

其四，G32中F的赋值为主轴旋转一圈X方向的增量，f_i满足下列表达式：

其中，ρ_i为拟合加工段终点P_i在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径，ρ_i-1为拟合加工段起点P_i-1在以O为极点φ为极角的极坐标系内的极径；

其五，G32中Q的赋值为拟合加工段起点P_i-1的极角

符合下列表达式：

其中，x_i-1，y_i-1为拟合加工段起点P_i-1的X、Y坐标。

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