CN117506323A - 一种螺栓测量滚压一体化加工方法 - Google Patents

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CN117506323A CN202311791793.9A CN202311791793A CN117506323A CN 117506323 A CN117506323 A CN 117506323A CN 202311791793 A CN202311791793 A CN 202311791793A CN 117506323 A CN117506323 A CN 117506323A
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朱祥龙
康仁科
刘宏伟
董志刚
牛延昭
黄康华
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Dalian University of Technology
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P9/02—Treating or finishing by applying pressure, e.g. knurling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
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Abstract

本发明公开了一种螺栓测量滚压一体化加工方法，包括以下步骤：滚压工具轴向在位测量；装夹螺栓；螺栓轴向在位测量；建立轴向对刀补偿量；建立径向对刀补偿量；对刀与滚压加工；完成滚压加工。本发明利用接触式测头和测力仪自动完成滚压工具与螺栓根部R、退刀槽、螺纹牙底的在线位置测量，保证了滚压工具与螺栓滚压部位在线位置测量精度，提高对刀精度的一致性与滚压表面质量一致性，从而降低废品率，延长了螺栓疲劳寿命。本发明对于同一批次螺栓滚压，仅需编辑一次测量、对刀和滚压程序即可完成该批次工件滚压加工；对于不同批次螺栓滚压，仅需输入螺栓结构尺寸可完成不同结构螺栓样件的自动化测量、对刀与滚压加工；大大提高了加工效率。

Description

一种螺栓测量滚压一体化加工方法
技术领域
本发明涉及一种螺栓加工技术领域，特别是一种螺栓测量滚压一体化加工方法。
背景技术
螺栓连接件由于其受力性能好、可靠性高等优点被广泛应用于各种航空飞机结构装配，如机体连接螺栓、起落架承力螺栓等。随着我国航空技术的发展与军事实力的提升，航空飞机在高速、高温高压和动载等极端条件下工作的情况增多，在飞行过程中由于螺栓根部、螺纹牙底和退刀槽均为应力集中部位，裂纹源极易从该部位缺陷处产生并扩展，最终使螺栓断裂失效。统计发现，在螺栓的疲劳破坏中，头下根部占25％，螺纹牙底占60％，退刀槽占15％。因此，必须对螺栓根部、螺纹牙底和退刀槽进行滚压强化，引入残余应力，以提高螺栓疲劳寿命。
目前，螺栓头下根部、螺纹牙底和退刀槽表面的滚压过程多在普通车床上进行，在普通车床刀塔上安装根部滚压工具、退刀槽滚压工具和螺纹牙底滚压工具，然后人工目视及手工反复对刀进行表面强化处理。由于螺栓头下根部和退刀槽表面结构复杂、包括多个圆弧及斜台阶面，而螺纹牙底空间非常狭小，导致人工目视对刀时产生很大对刀精度误差，反复换刀对刀时引起对刀精度一致性差，且极大增加了工人工作强度，严重降低加工效率。因此，目前在普通车床上通过人工对刀完成螺栓表面滚压，无法实现测量滚压一体的自动化加工。传统加工方法的加工效率低，工件精度一致性差，废品率高，对操作者技术要求极高，已无法满足螺栓表面精密高效滚压加工及大批量生产要求，因此迫切需要发明或开发一种新的螺栓测量-滚压一体化加工方法，来解决上述问题并实现螺栓表面的精密、高效和自动化滚压加工，为航空航天用关键零部件的精密加工提供技术保障。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种高效精密自动化在位测量与对刀的螺栓测量滚压一体化加工方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种螺栓测量滚压一体化加工方法，利用螺栓滚压强化加工设备进行加工，所述螺栓滚压强化设备包括床身、主轴电机、主轴箱、主轴卡盘、接触式测头、测头进给单元、尾顶尖、刀塔进给单元、测力仪、刀塔、退刀槽滚压工具、螺纹滚压工具、根部滚压工具、机床控制系统和显示单元；所述刀塔进给单元包括X1进给装置和Z1进给装置，所述测头进给单元包括X2进给装置和Z2进给装置；
所述测头进给单元分别沿X2轴和Z2轴移动，且X2轴和Z2轴原点在床身上端与尾顶尖尾端交点处，X2轴垂直于床身横向中心线、背向中心线方向为正方向，Z2轴平行于床身横向中心线、背向主轴箱方向为正方向；
所述刀塔进给单元分别沿X1轴和Z1轴移动，且X1轴和Z1轴原点在床身下端与尾顶尖尾端交点处，X1轴垂直于床身横向中心线、远离中心线方向为正方向，Z1轴平行于床身横向中心线、背向主轴箱方向为正方向；
所述加工方法包括以下步骤：
A、滚压工具轴向在位测量
驱动测头进给单元，使接触式测头分别测量根部滚压工具、退刀槽滚压工具与螺纹滚压工具的左端面Z2方向位置，分别记为Z21、Z22和Z23；建立退刀槽滚压工具与根部滚压工具轴向补偿关系R1和螺纹滚压工具与根部滚压工具轴向补偿关系R2，则R1＝Z22-Z21，R2＝Z23-Z21；
B、装夹螺栓
主轴卡盘夹紧螺栓头部、尾顶尖顶紧螺栓尾部；记螺栓的螺帽直径为D1、螺杆直径为D2、螺纹大径为D3、螺纹小径为d、螺距为P；
C、螺栓轴向在位测量
接触式测头对螺栓螺帽右端面部位和螺纹牙底进行Z2轴向位置测量，接触式测头反馈至机床控制系统并记录螺帽右端面Z2方向位置坐标Z25，螺纹牙底Z2方向位置坐标Z28；
D、建立轴向对刀补偿量
建立根部滚压工具与螺栓根部轴向补偿关系R3、退刀槽滚压工具和螺栓退刀槽轴向补偿关系R4和螺纹滚压工具和螺纹牙底的轴向补偿关系R5，则R3＝Z21-Z25、R4＝R3-L1+R1和R5＝Z21-Z28+R2，其中L1为退刀槽起点与螺帽右端面的轴向距离；
E、建立径向对刀补偿量
驱动刀塔进给单元，使根部滚压工具、退刀槽滚压工具与螺纹滚压工具与螺栓表面接触，此时测力仪将接触信号反馈机床控制系统与显示单元，显示单元显示力数值，当力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具、退刀槽滚压工具与螺纹滚压工具在X1方向的坐标位置，分别为X12、X13和X14，建立根部滚压工具与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2；
F、对刀与滚压加工
根部滚压工具移至K点位置，退刀槽滚压工具移至M点位置，螺纹滚压刀具移至N点位置完成对刀，根据螺栓根部、退刀槽和螺纹牙底表面轮廓尺寸进行插补运动，其中K点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R6+D2/2+ap1和Z11-R3，M点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R7+D2/2+ap1和Z11-R4，N点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R8+d/2+ap1和Z11-R5-h+4.5P，ap1为滚压进刀深度，h为螺纹滚压工具刀尖左端面与刀尖中心的轴向距离；
G、完成滚压加工。
进一步地，所述步骤A中，利用接触式测头进行滚压工具的轴向位置测量，包括如下步骤：
A1、驱动刀塔进给单元使刀塔移动至滚压机床中间安全位置，记滚压机床中间安全位置在X1和Z1方向上坐标位置分别为X11和Z11；
A2、驱动刀塔转动使根部滚压工具为工作刀具，驱动测头进给单元使接触式测头在Z2方向上触碰根部滚压工具刀尖左端面，此时接触式测头向机床控制系统与显示单元发送信号，记录根部滚压工具刀尖当前Z2方向位置坐标Z21，然后接触式测头在X2方向移至机床原点；
A3、刀塔转动使退刀槽滚压工具为工作刀具，驱动测头进给单元使接触式测头在Z2方向上触碰退刀槽滚压工具刀尖左端面，此时接触式测头向机床控制系统与显示单元发送信号，记录退刀槽滚压工具刀尖当前Z2方向位置坐标Z22，然后接触式测头在X2方向移至机床原点；
A4、刀塔转动使螺纹滚压工具为工作刀具，驱动测头进给单元使接触式测头在Z2方向上触碰螺纹滚压工具刀尖左端面，此时接触式测头向机床控制系统与显示单元发送信号，记录当前螺纹滚压工具刀尖Z2方向位置Z23，然后驱动刀塔进给单元、测头进给单元移动至机床移动到各自原点坐标位置；
A5、对Z21、Z22、Z23进行计算，以Z21为基准坐标建立Z22对Z21和Z23对Z21的数据补偿关系。
进一步地，所述步骤C中，利用接触式测头进行螺栓螺帽右端面和螺纹牙底的轴向位置测量，包括如下步骤：
C1、驱动测头进给单元使接触式测头在X2方向触碰到螺栓螺杆表面，记录接触式测头在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24和Z24；然后接触式测头在X2方向上移至X24+(D1-D2)/2，在Z2方向上触碰螺栓螺帽右端面，记录接触式测头在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24+(D1-D2)/2和Z25；
C2、驱动测头进给单元使接触式测头移动至螺栓螺纹尾端第三螺纹部位位置，第三螺纹部位位置在X2和Z2方向上的位置坐标分别为X24+(D3-D2)/2和Z25+L2-3P；使接触式测头再沿X2负方向移动0.5mm，其中L2为螺栓螺帽右端面至螺纹尾端的轴向距离；
C3、判断接触式测头是否触碰到螺纹部位，若接触式测头触碰到螺纹部位则向机床控制系统与显示单元发送信号，执行步骤C4，若接触式测头没有触碰到螺纹部位则执行步骤C5；
C4、驱动X2进给装置使接触式测头沿X2正方向移动0.5mm，驱动Z2进给装置使接触式测头沿Z2负方向移动0.1mm，驱动X2进给装置使接触式测头沿X2负方向移动0.5mm，然后执行步骤C3；
C5、驱动Z2进给装置使接触式测头在Z2方向触碰螺纹牙两端，分别获取螺纹牙两端在Z2方向坐标位置Z26和Z27，此时螺纹牙底位置Z28为Z26与Z27的平均值，然后驱动测头进给单元分别移动至X2、Z2方向零点坐标位置。
进一步地，所述步骤E中，利用测力仪反馈滚压工具与螺栓圆棒表面接触，建立滚压工具与螺栓径向在位补偿关系，具有如下步骤：
E1、刀塔转动使根部滚压工具为工作刀具，驱动X1进给装置使根部滚压工具在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪将信号反馈机床控制系统与显示单元，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具在X1方向位置坐标位置X12，然后使根部滚压工具在X1方向上移至零点坐标位置；
E2、刀塔转动使退刀槽滚压工具为工作刀具，驱动X1进给装置使退刀槽滚压工具在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪将信号反馈机床控制系统与显示单元，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时退刀槽滚压工具X1方向位置坐标X13，然后使退刀槽滚压工具在X1方向上移至零点坐标位置；
E3、刀塔转动使螺纹滚压工具为工作刀具，驱动X1进给装置使螺纹滚压工具在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪将信号反馈机床控制系统与显示单元，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时螺纹滚压工具X1方向位置坐标X14，然后驱动刀塔进给单元移动至机床X1、Z1方向零点坐标位置；
E4、对螺栓螺杆直径D2和X12、X13、X14进行计算，建立根部滚压工具与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2。
进一步地，所述步骤F中，利用不同滚压工具滚压螺栓根部、退刀槽和螺纹，具有如下步骤：
F1、刀塔转动使根部滚压工具为工作刀具，驱动刀塔进给单元使根部滚压工具移至K点完成对刀，然后进行插补运动滚压根部表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元移至X1、Z1方向原点位置；
F2、刀塔转动使退刀槽滚压工具为工作刀具，驱动刀塔进给单元使退刀槽滚压工具移至M点完成对刀，然后进行插补运动滚压退刀槽表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元移至X1、Z1方向原点位置；
F3、刀塔转动使螺纹滚压工具为工作刀具，驱动刀塔进给单元使螺纹滚压刀具移至N点完成对刀，然后进行螺纹插补运动滚压螺纹牙底表面，主轴转速为n2，轴向进给量为fr2，完成滚压后刀塔进给单元移至X1、Z1方向原点位置；
进一步地，所述的步骤F3中，最大许用主轴转速n2为0～100r/min，轴向进给量fr2＝螺纹螺距P。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明利用接触式测头和测力仪自动完成滚压工具与螺栓根部R、退刀槽、螺纹牙底的在线位置测量，避免了传统滚压加工人工目视及反复手工对刀，保证了滚压工具与螺栓滚压部位在线位置测量精度，提高对刀精度的一致性与滚压表面质量一致性，从而降低废品率，延长了螺栓疲劳寿命。
2、本发明对于同一批次螺栓滚压，仅需编辑一次测量、对刀和滚压程序即可完成该批次工件滚压加工；对于不同批次螺栓滚压，仅需输入螺栓结构尺寸可完成不同结构螺栓样件的自动化测量、对刀与滚压加工；本发明既适用于单件小批生产，也适用于成批生产，同时操作简单，降低了对操作者的技术要求，大大提高了加工效率。
附图说明
图1是测量-滚压一体化数控螺栓滚压装备示意图。
图2是本发明的流程示意图。
图3是根部滚压工具和螺栓根部在位测量示意图。
图4是退刀槽滚压工具和螺栓退刀槽在位测量示意图。
图5是螺纹滚压工具和螺栓螺纹牙底在位测量示意图。
图6是根部滚压工具与螺栓根部对刀及滚压示意图。
图7是退刀槽滚压工具与螺栓退刀槽对刀及滚压示意图。
图8是螺纹滚压工具与螺栓螺纹牙底对刀及滚压示意图。
图中：1、主轴电机，2、主轴箱，3、主轴卡盘，4、接触式测头，5、测头进给单元，6、Z2轴，7、尾顶尖，8、X2轴，9、X1轴，10、Z1轴，11、床身，12、刀塔进给单元，13、测力仪，14、刀塔，15、退刀槽滚压工具，16、螺纹滚压工具，17、根部滚压工具，18、机床控制系统与显示单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。
一种螺栓测量-滚压一体化加工方法，基于图1所示的螺栓滚压强化加工设备实现，该滚压设备包括主轴电机1、主轴箱2、主轴卡盘3、接触式测头4、测头进给单元5、Z2轴6、尾顶尖7、X2轴8、X1轴9、Z1轴10、床身11、刀塔进给单元12、测力仪13、刀塔14、退刀槽滚压工具15、螺纹滚压工具16、根部滚压工具17、机床控制系统与显示单元18。所述接触式测头4固定安装在测头进给单元5上，刀塔14固定安装在刀塔进给单元12上，测头进给单元5在X2轴8和Z2轴6上移动，刀塔进给单元12在X1轴9和Z1轴10上移动，所述主轴卡盘3与主轴箱2连接，主轴箱2由主轴电机1驱动旋转，主轴卡盘3上设有三爪，螺栓工件一端由三爪夹持，另一端由尾顶尖7顶紧，所述退刀槽滚压工具15、螺纹滚压工具16、根部滚压工具17固定连接在刀塔14上。
一种螺栓测量-滚压一体化加工方法，如图2-8所示，包括以下步骤：
A、滚压工具轴向在位测量
驱动测头进给单元5，使接触式测头4分别测量根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16的左端面Z2方向位置，分别记为Z21、Z22和Z23；建立退刀槽滚压工具15与根部滚压工具17轴向补偿关系R1和螺纹滚压工具16与根部滚压工具17轴向补偿关系R2，则R1＝Z22-Z21，R2＝Z23-Z21；
B、装夹螺栓
主轴卡盘3夹紧螺栓头部、尾顶尖7顶紧螺栓尾部；记螺栓的螺帽直径为D1、螺杆直径为D2、螺纹大径为D3、螺纹小径为d、螺距为P；
C、螺栓轴向在位测量
接触式测头4对螺栓螺帽右端面部位和螺纹牙底进行Z2轴向位置测量，接触式测头4反馈至机床控制系统18并记录螺帽右端面Z2方向位置坐标Z25，螺纹牙底Z2方向位置坐标Z28；
D、建立轴向对刀补偿量
建立根部滚压工具17与螺栓根部轴向补偿关系R3、退刀槽滚压工具15和螺栓退刀槽轴向补偿关系R4和螺纹滚压工具16和螺纹牙底的轴向补偿关系R5，则R3＝Z21-Z25、R4＝R3-L1+R1和R5＝Z21-Z28+R2，其中L1为退刀槽起点与螺帽右端面的轴向距离；
E、建立径向对刀补偿量
驱动刀塔进给单元12，使根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16与螺栓表面接触，此时测力仪13将接触信号反馈机床控制系统与显示单元18，显示单元18显示力数值，当力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16在X1方向的坐标位置，分别为X12、X13和X14，建立根部滚压工具17与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具15与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具16与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2；
F、对刀与滚压加工
根部滚压工具17移至K点位置，退刀槽滚压工具15移至M点位置，螺纹滚压刀具16移至N点位置完成对刀，根据螺栓根部、退刀槽和螺纹牙底表面轮廓尺寸进行插补运动，其中K点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R6+D2/2+ap1和Z11-R3，M点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R7+D2/2+ap1和Z11-R4，N点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R8+d/2+ap1和Z11-R5-h+4.5P，ap1为滚压进刀深度，h为螺纹滚压工具刀尖左端面与刀尖中心的轴向距离；
G、完成滚压加工。
进一步地，所述步骤A中，利用接触式测头进行滚压工具的轴向位置测量，包括如下步骤：
A1、驱动刀塔进给单元5使刀塔14移动至滚压机床中间安全位置，记滚压机床中间安全位置在X1和Z1方向上坐标位置分别为X11和Z11；
A2、驱动刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰根部滚压工具17刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录根部滚压工具17刀尖当前Z2方向位置坐标Z21，然后接触式测头4在X2方向移至机床原点；
A3、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰退刀槽滚压工具15刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录退刀槽滚压工具15刀尖当前Z2方向位置坐标Z22，然后接触式测头4在X2方向移至机床原点；
A4、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰螺纹滚压工具16刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录当前螺纹滚压工具16刀尖Z2方向位置Z23，然后驱动刀塔进给单元12、测头进给单元5移动至机床X1、Z1、X2和Z2方向原点坐标位置；
A5、对Z21、Z22、Z23进行计算，以Z21为基准坐标建立Z22对Z21和Z23对Z21的数据补偿关系。
进一步地，所述步骤C中，利用接触式测头进行螺栓螺帽右端面和螺纹牙底的轴向位置测量，包括如下步骤：
C1、驱动测头进给单元5使接触式测头4在X2方向触碰到螺栓螺杆表面，记录接触式测头4在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24和Z24；然后接触式测头4在X2方向上移至X24+(D1-D2)/2，在Z2方向上触碰螺栓螺帽右端面，记录接触式测头4在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24+(D1-D2)/2和Z25；
C2、驱动测头进给单元5使接触式测头4移动至螺栓螺纹尾端第三螺纹部位位置，第三螺纹部位位置在X2和Z2方向上的位置坐标分别为X24+(D3-D2)/2和Z25+L2-3P；使接触式测头4再沿X2负方向移动0.5mm，其中L2为螺栓螺帽右端面至螺纹尾端的轴向距离；
C3、判断接触式测头4是否触碰到螺纹部位，若接触式测头4触碰到螺纹部位则向机床控制系统与显示单元18发送信号，执行步骤C4，若接触式测头4没有触碰到螺纹部位则执行步骤C5；
C4、驱动X2进给装置使接触式测头4沿X2正方向移动0.5mm，驱动Z2进给装置使接触式测头沿Z2负方向移动0.1mm，驱动X2进给装置使接触式测头沿X2负方向移动0.5mm，然后执行步骤C3；
C5、驱动Z2进给装置使接触式测头4在Z2方向触碰螺纹牙两端，分别获取螺纹牙两端在Z2方向坐标位置Z26和Z27，此时螺纹牙底位置Z28为Z26与Z27的平均值，然后驱动测头进给单元5移动至X2、Z2方向零点坐标位置。
进一步地，所述步骤E中，利用测力仪反馈滚压工具与螺栓圆棒表面接触，建立滚压工具与螺栓径向在位补偿关系，具有如下步骤：
E1、刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动X1进给装置使根部滚压工具17在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具17在X1方向位置坐标位置X12，然后使根部滚压工具17在X1方向上移至零点坐标位置；
E2、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动X1进给装置使退刀槽滚压工具15在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时退刀槽滚压工具15在X1方向位置坐标X13，然后使退刀槽滚压工具15在X1方向上移至零点坐标位置；
E3、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动X1进给装置使螺纹滚压工具16在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时螺纹滚压工具16在X1方向位置坐标X14，然后驱动刀塔进给单元12移动至机床X、Z方向零点坐标位置；
E4、对螺栓螺杆直径D2和X12、X13、X14进行计算，建立根部滚压工具17与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具15与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具16与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2。
进一步地，所述步骤F中，利用不同滚压工具滚压螺栓根部、退刀槽和螺纹，具有如下步骤：
F1、刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使根部滚压工具17移至K点完成对刀，然后进行插补运动滚压根部表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置；
F2、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使退刀槽滚压工具15移至M点完成对刀，然后进行插补运动滚压退刀槽表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置；
F3、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使螺纹滚压刀具16移至N点完成对刀，然后进行螺纹插补运动滚压螺纹牙底表面，主轴转速为n2，轴向进给量为fr2，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置；
进一步地，所述的步骤F3中，最大许用主轴转速n2为0～100r/min，轴向进给量fr2＝螺纹螺距P。
本发明的实施例如下：
A、滚压工具轴向在位测量
驱动测头进给单元5，使接触式测头4分别测量根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16的左端面Z2方向位置，分别记为Z21、Z22和Z23；建立退刀槽滚压工具15与根部滚压工具17轴向补偿关系R1和螺纹滚压工具16与根部滚压工具17轴向补偿关系R2，则R1＝Z22-Z21，R2＝Z23-Z21；
B、装夹螺栓
主轴卡盘3夹紧螺栓头部、尾顶尖7顶紧螺栓尾部；记螺栓的螺帽直径为D1＝28mm、螺杆直径为D2＝10.2mm、螺纹大径为D3＝10mm、螺纹小径为d＝8.04mm、螺距为P＝1.5mm；
C、螺栓轴向在位测量
接触式测头4对螺栓螺帽右端面部位和螺纹牙底进行Z2轴向位置测量，接触式测头4反馈至机床控制系统18并记录螺帽右端面Z2方向位置坐标Z25，螺纹牙底Z2方向位置坐标Z28；
D、建立轴向对刀补偿量
建立根部滚压工具17与螺栓根部轴向补偿关系R3、退刀槽滚压工具15和螺栓退刀槽轴向补偿关系R4和螺纹滚压工具16和螺纹牙底的轴向补偿关系R5，则R3＝Z21-Z25、R4＝R3-28+R1和R5＝Z21-Z28+R2，其中L1＝28mm为退刀槽起点与螺帽右端面的轴向距离；
E、建立径向对刀补偿量
驱动刀塔进给单元12，使根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16与螺栓表面接触，此时测力仪13将接触信号反馈机床控制系统与显示单元18，显示单元18显示力数值，当力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具17、退刀槽滚压工具15与螺纹滚压工具16在X1方向的坐标位置，分别为X12、X13和X14，建立根部滚压工具17与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具15与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具16与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-10.2/2、R7＝X13-10.2/2和R8＝X14-10.2/2；
F、对刀与滚压加工
根部滚压工具17移至K点位置，退刀槽滚压工具15移至M点位置，螺纹滚压刀具16移至N点位置完成对刀，根据螺栓根部、退刀槽和螺纹牙底表面轮廓尺寸进行插补运动，其中K点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R6+5.1-0.1和Z11-R3，M点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R7+5.1-0.1和Z11-R4，N点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R8+4.02-0.1和Z11-R5-1+4.5*1.5，ap1＝-0.1mm为滚压进刀深度，h＝1mm为螺纹滚压工具刀尖左端面与刀尖中心的轴向距离；
G、完成滚压加工。
进一步地，所述步骤A中，利用接触式测头进行滚压工具的轴向位置测量，包括如下步骤：
A1、驱动刀塔进给单元5使刀塔14移动至滚压机床中间安全位置，记滚压机床中间安全位置在X1和Z1方向上坐标位置分别为X11和Z11；
A2、驱动刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰根部滚压工具17刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录根部滚压工具17刀尖当前Z2方向位置坐标Z21，然后接触式测头4在X2方向移至机床原点；
A3、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰退刀槽滚压工具15刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录退刀槽滚压工具15刀尖当前Z2方向位置坐标Z22，然后接触式测头4在X2方向移至机床原点；
A4、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动测头进给单元5使接触式测头4在Z2方向上触碰螺纹滚压工具16刀尖左端面，此时接触式测头4向机床控制系统与显示单元18发送信号，记录当前螺纹滚压工具16刀尖Z2方向位置Z23，然后驱动刀塔进给单元12、测头进给单元5移动至机床X1、Z1、X2和Z2方向原点坐标位置；
A5、对Z21、Z22、Z23进行计算，以Z21为基准坐标建立Z22对Z21和Z23对Z21的数据补偿关系。
进一步地，所述步骤C中，利用接触式测头进行螺栓螺帽右端面和螺纹牙底的轴向位置测量，包括如下步骤：
C1、驱动测头进给单元5使接触式测头4在X2方向触碰到螺栓螺杆表面，记录接触式测头4在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24和Z24；然后接触式测头4在X2方向上移至X24+(28-10.2)/2，在Z2方向上触碰螺栓螺帽右端面，记录接触式测头4在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24+(28-10.2)/2和Z25；
C2、驱动测头进给单元5使接触式测头4移动至螺栓螺纹尾端第三螺纹部位位置，第三螺纹部位位置在X2和Z2方向上的位置坐标分别为X24+(10-10.2)/2和Z25+48-3*1.5；使接触式测头4再沿X2负方向移动0.5mm，其中L2＝48mm为螺栓螺帽右端面至螺纹尾端的轴向距离；
C3、判断接触式测头4是否触碰到螺纹部位，若接触式测头4触碰到螺纹部位则向机床控制系统与显示单元18发送信号，执行步骤C4，若接触式测头4没有触碰到螺纹部位则执行步骤C5；
C4、驱动X2进给装置使接触式测头4沿X2正方向移动0.5mm，驱动Z2进给装置使接触式测头沿Z2负方向移动0.1mm，驱动X2进给装置使接触式测头沿X2负方向移动0.5mm，然后执行步骤C3；
C5、驱动Z2进给装置使接触式测头4在Z2方向触碰螺纹牙两端，分别获取螺纹牙两端在Z2方向坐标位置Z26和Z27，此时螺纹牙底位置Z28为Z26与Z27的平均值，然后驱动测头进给单元5移动至X2、Z2方向零点坐标位置。
进一步地，所述步骤E中，利用测力仪反馈滚压工具与螺栓圆棒表面接触，建立滚压工具与螺栓径向在位补偿关系，具有如下步骤：
E1、刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动X1进给装置使根部滚压工具17在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具17在X1方向位置坐标位置X12，然后使根部滚压工具17在X1方向上移至零点坐标位置；
E2、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动X1进给装置使退刀槽滚压工具15在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时退刀槽滚压工具15在X1方向位置坐标X13，然后使退刀槽滚压工具15在X1方向上移至零点坐标位置；
E3、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动X1进给装置使螺纹滚压工具16在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪13将信号反馈机床控制系统与显示单元18，当显示单元18显示的力数值由0开始变化时记录此时螺纹滚压工具16在X1方向位置坐标X14，然后驱动刀塔进给单元12移动至机床X、Z方向零点坐标位置；
E4、对螺栓螺杆直径D2和X12、X13、X14进行计算，建立根部滚压工具17与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具15与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具16与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-10.2/2、R7＝X13-10.2/2和R8＝X14-10.2/2。
进一步地，所述步骤F中，利用不同滚压工具滚压螺栓根部、退刀槽和螺纹，具有如下步骤：
F1、刀塔14转动使根部滚压工具17为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使根部滚压工具17移至K点完成对刀，然后进行插补运动滚压根部表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置，其中主轴转速为n1＝600r/min，轴向进给量为fr1＝0.05mm/r；
F2、刀塔14转动使退刀槽滚压工具15为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使退刀槽滚压工具15移至M点完成对刀，然后进行插补运动滚压退刀槽表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置，其中主轴转速为n1＝600r/min，轴向进给量为fr1＝0.05mm/r；
F3、刀塔14转动使螺纹滚压工具16为工作刀具，驱动刀塔进给单元12使螺纹滚压刀具16移至N点完成对刀，然后进行螺纹插补运动滚压螺纹牙底表面，主轴转速为n2，轴向进给量为fr2，完成滚压后刀塔进给单元12移至X、Z方向原点位置，其中主轴转速为n2＝20r/min，轴向进给量为fr1＝1.5mm/r；
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种螺栓测量滚压一体化加工方法，利用螺栓滚压强化加工设备进行加工，所述螺栓滚压强化设备包括床身(11)、主轴电机(1)、主轴箱(2)、主轴卡盘(3)、接触式测头(4)、测头进给单元(5)、尾顶尖(7)、刀塔进给单元(12)、测力仪(13)、刀塔(14)、退刀槽滚压工具(15)、螺纹滚压工具(16)、根部滚压工具(16)、机床控制系统与显示单元(18)；所述刀塔进给单元(12)包括X2进给装置和Z2进给装置；所述测头进给单元(5)包括X1进给装置和Z1进给装置；
所述测头进给单元(5)分别沿X2轴(8)和Z2轴(6)移动，且X2轴(8)和Z2轴(6)原点在床身(11)上端与尾顶尖(7)尾端交点处，X2轴(8)垂直于床身(11)横向中心线、背向中心线方向为正方向，Z2轴(6)平行于床身(11)横向中心线、背向主轴箱(2)方向为正方向；
所述刀塔进给单元(12)分别沿X1轴(9)和Z1轴(10)移动，且X1轴(9)和Z1轴(10)原点在床身(11)下端与尾顶尖(7)尾端交点处，X1轴(9)垂直于床身(11)横向中心线、远离中心线方向为正方向，Z1轴(10)平行于床身(11)横向中心线、背向主轴箱(2)方向为正方向；
其特征在于：所述加工方法包括以下步骤：
A、滚压工具轴向在位测量
驱动测头进给单元(5)，使接触式测头(4)分别测量根部滚压工具(17)、退刀槽滚压工具(15)与螺纹滚压工具(16)的左端面Z2方向位置，分别记为Z21、Z22和Z23；建立退刀槽滚压工具(15)与根部滚压工具(17)轴向补偿关系R1和螺纹滚压工具(16)与根部滚压工具(17)轴向补偿关系R2，则R1＝Z22-Z21，R2＝Z23-Z21；
B、装夹螺栓
主轴卡盘(3)夹紧螺栓头部、尾顶尖(7)顶紧螺栓尾部；记螺栓的螺帽直径为D1、螺杆直径为D2、螺纹大径为D3、螺纹小径为d、螺距为P；
C、螺栓轴向在位测量
接触式测头(4)对螺栓螺帽右端面部位和螺纹牙底进行Z2轴(6)向位置测量，接触式测头(4)反馈至机床控制系统并记录螺帽右端面Z2方向位置坐标Z25，螺纹牙底Z2方向位置坐标Z28；
D、建立轴向对刀补偿量
建立根部滚压工具(17)与螺栓根部轴向补偿关系R3、退刀槽滚压工具(15)和螺栓退刀槽轴向补偿关系R4和螺纹滚压工具(16)和螺纹牙底的轴向补偿关系R5，则R3＝Z21-Z25、R4＝R3-L1+R1和R5＝Z21-Z28+R2，其中L1为退刀槽起点与螺帽右端面的轴向距离；
E、建立径向对刀补偿量
驱动刀塔进给单元(12)，使根部滚压工具(17)、退刀槽滚压工具(15)与螺纹滚压工具(16)与螺栓表面接触，此时测力仪(13)将接触信号反馈机床控制系统与显示单元(18)，显示单元显示力数值，当力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具(17)、退刀槽滚压工具(15)与螺纹滚压工具(16)在X1方向的坐标位置，分别为X12、X13和X14，建立根部滚压工具(17)与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具(15)与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具(16)与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2；
F、对刀与滚压加工
根部滚压工具(17)移至K点位置，退刀槽滚压工具(15)移至M点位置，螺纹滚压刀具移至N点位置完成对刀，根据螺栓根部、退刀槽和螺纹牙底表面轮廓尺寸进行插补运动，其中K点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R6+D2/2+ap1和Z11-R3，M点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R7+D2/2+ap1和Z11-R4，N点在X1和Z1方向上坐标位置分别为R8+d/2+ap1和Z11-R5-h+4.5P，ap1为滚压进刀深度，h为螺纹滚压工具(16)刀尖左端面与刀尖中心的轴向距离；
G、完成滚压加工。
2.根据权利要求1所述一种螺栓测量滚压一体化加工方法，其特征在于：所述步骤A中，利用接触式测头(4)进行滚压工具的轴向位置测量，包括如下步骤：
A1、驱动刀塔进给单元(12)使刀塔(14)移动至滚压机床中间安全位置，记滚压机床中间安全位置在X1和Z1方向上坐标位置分别为X11和Z11；
A2、驱动刀塔(14)转动使根部滚压工具(17)为工作刀具，驱动测头进给单元(5)使接触式测头(4)在Z2方向上触碰根部滚压工具(17)刀尖左端面，此时接触式测头(4)向机床控制系统与显示单元(18)发送信号，记录根部滚压工具(17)刀尖当前Z2方向位置坐标Z21，然后接触式测头(4)在X2方向移至机床原点；
A3、刀塔(14)转动使退刀槽滚压工具(15)为工作刀具，驱动测头进给单元(5)使接触式测头(4)在Z2方向上触碰退刀槽滚压工具(15)刀尖左端面，此时接触式测头(4)向机床控制系统与显示单元(18)发送信号，记录退刀槽滚压工具(15)刀尖当前Z2方向位置坐标Z22，然后接触式测头(4)在X2方向移至机床原点；
A4、刀塔(14)转动使螺纹滚压工具(16)为工作刀具，驱动测头进给单元(5)使接触式测头(4)在Z2方向上触碰螺纹滚压工具(16)刀尖左端面，此时接触式测头(4)向机床控制系统与显示单元(18)发送信号，记录当前螺纹滚压工具(16)刀尖Z2方向位置Z23，然后驱动刀塔进给单元(12)、测头进给单元(5)移动至机床移动到各自原点坐标位置；
A5、对Z21、Z22、Z23进行计算，以Z21为基准坐标建立Z22对Z21和Z23对Z21的数据补偿关系。
3.根据权利要求1所述一种螺栓测量滚压一体化加工方法，其特征在于：所述步骤C中，利用接触式测头(4)进行螺栓螺帽右端面和螺纹牙底的轴向位置测量，包括如下步骤：
C1、驱动测头进给单元(5)使接触式测头(4)在X2方向触碰到螺栓螺杆表面，记录接触式测头(4)在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24和Z24；然后接触式测头(4)在X2方向上移至X24+(D1-D2)/2，在Z2方向上触碰螺栓螺帽右端面，记录接触式测头(4)在X2和Z2方向上的当前位置坐标X24+(D1-D2)/2和Z25；
C2、驱动测头进给单元(5)使接触式测头(4)移动至螺栓螺纹尾端第三螺纹部位位置，第三螺纹部位位置在X2和Z2方向上的位置坐标分别为X24+(D3-D2)/2和Z25+L2-3P；使接触式测头(4)再沿X2负方向移动0.5mm，其中L2为螺栓螺帽右端面至螺纹尾端的轴向距离；
C3、判断接触式测头(4)是否触碰到螺纹部位，若接触式测头(4)触碰到螺纹部位则向机床控制系统与显示单元(18)发送信号，执行步骤C4，若接触式测头(4)没有触碰到螺纹部位则执行步骤C5；
C4、驱动X2进给装置使接触式测头(4)沿X2正方向移动0.5mm，驱动Z2进给装置使接触式测头(4)沿Z2负方向移动0.1mm，驱动X2进给装置使接触式测头(4)沿X2负方向移动0.5mm，然后执行步骤C3；
C5、驱动Z2进给装置使接触式测头(4)在Z2方向触碰螺纹牙两端，分别获取螺纹牙两端在Z2方向坐标位置Z26和Z27，此时螺纹牙底位置Z28为Z26与Z27的平均值，然后驱动测头进给单元(5)分别移动至X2、Z2方向零点坐标位置。
4.根据权利要求1所述一种螺栓测量滚压一体化加工方法，其特征在于：所述步骤E中，利用测力仪(13)反馈滚压工具与螺栓圆棒表面接触，建立滚压工具与螺栓径向在位补偿关系，具有如下步骤：
E1、刀塔(14)转动使根部滚压工具(17)为工作刀具，驱动X1进给装置使根部滚压工具(17)在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪(13)将信号反馈机床控制系统与显示单元(18)，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时根部滚压工具(17)在X1方向位置坐标位置X12，然后使根部滚压工具(17)在X1方向上移至零点坐标位置；
E2、刀塔(14)转动使退刀槽滚压工具(15)为工作刀具，驱动X1进给装置使退刀槽滚压工具(15)在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪(13)将信号反馈机床控制系统与显示单元(18)，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时退刀槽滚压工具(15)X1方向位置坐标X13，然后使退刀槽滚压工具(15)在X1方向上移至零点坐标位置；
E3、刀塔(14)转动使螺纹滚压工具(16)为工作刀具，驱动X1进给装置使螺纹滚压工具(16)在X1方向与螺栓螺杆表面接触，此时测力仪(13)将信号反馈机床控制系统与显示单元(18)，当显示单元显示的力数值由0开始变化时记录此时螺纹滚压工具(16)X1方向位置坐标X14，然后驱动刀塔进给单元(12)移动至机床X1、Z1方向零点坐标位置；
E4、对螺栓螺杆直径D2和X12、X13、X14进行计算，建立根部滚压工具(17)与螺栓的径向补偿关系R6、退刀槽滚压工具(15)与螺栓的径向补偿关系R7和螺纹滚压工具(16)与螺栓的径向补偿关系R8，则R6＝X12-D2/2、R7＝X13-D2/2和R8＝X14-D2/2。
5.根据权利要求1所述一种螺栓测量滚压一体化加工方法，其特征在于：所述步骤F中，利用不同滚压工具滚压螺栓根部、退刀槽和螺纹，具有如下步骤：
F1、刀塔(14)转动使根部滚压工具(17)为工作刀具，驱动刀塔进给单元(12)使根部滚压工具(17)移至K点完成对刀，然后进行插补运动滚压根部表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元(12)移至X1、Z1方向原点位置；
F2、刀塔(14)转动使退刀槽滚压工具(15)为工作刀具，驱动刀塔进给单元(12)使退刀槽滚压工具(15)移至M点完成对刀，然后进行插补运动滚压退刀槽表面，主轴转速为n1，轴向进给量为fr1，完成滚压后刀塔进给单元(12)移至X1、Z1方向原点位置；
F3、刀塔(14)转动使螺纹滚压工具(16)为工作刀具，驱动刀塔进给单元(12)使螺纹滚压刀具移至N点完成对刀，然后进行螺纹插补运动滚压螺纹牙底表面，主轴转速为n2，轴向进给量为fr2，完成滚压后刀塔进给单元(12)移至X1、Z1方向原点位置。
6.根据权利要求1所述一种螺栓测量滚压一体化加工方法，其特征在于：所述的步骤F3中，最大许用主轴转速n2为0～100r/min，轴向进给量fr2＝螺纹螺距P。
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