CN117697505A - 心轴夹具及利用该夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了心轴夹具及利用该夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法，通过该心轴夹具以工件上通孔为定位基准将工件安装带有分度头的立式数控铣削机床上，通过螺旋曲线方程在UG上构建经过所需固定点的两条螺旋线，再通过建立螺旋结构的法向截面形状并通过扫掠两条螺旋线创建全参数化定起点螺旋结构模型，采用可变轮廓铣加工策略生成以刀具侧刃加工螺旋槽侧面、刀尖切削螺旋底面的加工刀路，无需进行手动补偿。通过标准立铣刀和标准球头刀实现螺旋结构全部铣削加工，解决了现有加工方法需要大量依靠手工加工且依赖个人技能保证加工质量的问题，加工效率和质量大大提高，通用性强，适应单件或批量生产。本发明中夹具简单，经济成本低。

Description

心轴夹具及利用该夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数 控铣削的方法

技术领域

本发明属于机械加工领域技术领域，具体涉及心轴夹具及利用该夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法。

背景技术

一种螺旋结构，位于工件一侧侧壁上，且该螺旋结构需要经过一固定点，即有定起点的要求。由于螺旋结构的轴线在工件实体外，无法直接装夹使其中心轴线和加工旋转中心重合。现有加工方法是：在普通立式铣床上，通过专用夹具夹持工件，并使专用夹具旋转中心与螺旋结构轴线重合，通过挂轮计算和定起点对刀，采用不同专用刀具分工序进行粗加工和半精加工，最后再通过钳工进行锉模修整尺寸来完成精加工。这种加工方法一是工序分散，需要专用工装多，且工装设计复杂、制造成本高；二是钳工精加工修锉量大，效率低，成品尺寸一致性差，难以保证工件互换性要求；三是手工精加工严重依靠个人技能水平，易出现质量问题；四是该螺旋结构的精度要求较高，大批量生产的工件，需求配置较多的高技能机加铣工、钳工和装配钳工，采用手工方式完成加工和装配。

期刊《制造业自动化》2010.32(08)期公开了论文《圆柱曲面螺旋槽数控加工技术》，通过四轴数控加工螺旋槽，是螺旋中心轴线在实体内的加工方法，不适用于中心轴线在体外的螺旋结构的加工，另外该技术方案中公开的螺旋结构没有定起点要求。

发明内容

为了解决轴线在体外的定起点螺旋结构现有加方法加工效率低、对操作者技能水平要求高、工装设计制造维护成本高以及工件互换性差等问题，本发明提供心轴夹具及利用该夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法，以工件实体上中心孔为主定位，通过设计简易心轴将工件装夹在配有分度头(A轴)的经济性数铣立式加工中心上，采用变轮廓加工策略生成以刀具侧刃加工螺旋槽侧面、以刀尖切削螺旋底面的加工刀路，实现工件中心与螺旋结构轴线不重合的加工补偿，一次装夹即能够完成对螺旋结构的整体加工，提高了加工效率。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种心轴夹具，其特殊之处在于，包括心轴1、定位块2、螺钉和紧固组件；

所述心轴1为多阶轴状，大端根部外壁绕周向设有多个定位平面；

所述定位块2沿心轴轴线方向设置，且一端通过螺钉固定在心轴1大端外壁上；

工件套装在心轴中部杆体上，工件一端端面与心轴大端台阶面贴合，且能够被定位块2另一端径向压紧，工件另一端通过紧固组件轴向压紧；心轴1大端另一端能够通过分度头与数控立式加工中心连接。

利用心轴夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法，所述螺旋结构位于工件一侧侧壁上，包括以下步骤：

步骤1、设计心轴夹具，用以通过心轴夹具将待加工工件安装在立式数控加工中心分度头上；

步骤2、获得轴线在工件体外的定起点螺旋线参数化方程，建立经过预设固定点的螺旋曲线，通过所述螺旋曲线构建全参数化定起点螺旋结构模型；

轴线在工件体外的定起点旋线参数化方程为：

X＝a+r*cos(360*t*n+s+d)

Y＝b+r*sin(360*t*n+s+d)

Z＝p*t*n

其中，t为特殊变量，其取值范围为0～1之间的连续数；p为螺距，n为圈数，r为圆柱螺旋线半径；a、b表示圆柱螺旋线圆心轴线坐标，a、b的值由产品尺寸计算获得；

s为径向转角变量；s＝arcsin(m/r)，m为预设固定点在Y向的坐标尺寸与螺旋结构中心的X向坐标尺寸的差值；

d为轴向转角变量，d＝(L/p)*360，L为螺旋线上固定点沿螺旋线轴向的位置尺寸；

步骤3、将螺旋结构中心轴线上工作坐标系WCS变换到工件中心孔的中心轴线上，作为加工坐标系；以待加工工件中心孔为加工定位基准，并作为数控加工中心分度头的旋转中心；

步骤4、根据螺旋结构尺寸，刀具选择标准立铣刀和标准球头刀；

步骤5、采用可变轮廓铣加工策略生成以刀具侧刃加工螺旋槽侧面、以刀尖切削螺旋底面的加工刀路；

步骤6、进行数控铣削加工。

进一步的，所述步骤2中，构建全参数化定起点螺旋结构模型的具体过程为：

步骤2.1、引入径向转角变量s和轴向转角变量d，根据螺旋线参数方程，获得经固定点的螺旋线参数方程

X＝a+r*cos(360*t*n+s+d)

Y＝b+r*sin(360*t*n+s+d)

Z＝p*t*n

步骤2.2、根据经固定点的螺旋线参数方程，在螺旋结构的最大螺旋曲面上，创建两条分别经过第一固定点和第二固定点的螺旋线；

步骤2.3、创建螺旋结构法向截面形状，并通过扫掠步骤2.2创建的两条螺旋线完成全参数化定起点螺旋结构模型的构建。

进一步的，所述标准立铣刀的周齿用以加工螺旋结构的侧面，立铣刀的底齿用以对螺旋结构最大圆弧面和最小圆弧底面进行粗加工；

所述标准球头刀用以加工螺旋结构上的法向截面凹槽以及对螺线结构最大圆弧面进行精加工。

进一步的，所述步骤5中，采用可变轮廓加工策略形成加工刀路的具体过程为：

(1)指定部件，选择要加工的模型；

(2)指定切削区域，即为要加工的螺旋齿面；

(3)驱动方法选择曲面区域；

(4)曲面区域驱动设置：首先指定驱动几何体，选择螺旋齿面并设置切削方向、切削模式、步距及步距数；

(5)投影矢量选择朝向驱动体；

(6)刀具选择立铣刀或球头刀；

(7)刀轴选择侧刃驱动体；

(8)划线类型选择基础UV。

进一步的，在进行步骤6数控铣削加工之前，还包括通过步骤1-步骤5进行仿真加工验证的过程。

进一步的，所述步骤1中立式数控加工中心为三轴数控铣立式加工中心。

本发明的优点是：

1、本发明方法以工件上轴向通孔作为主定位基准，设计简易心轴夹具，将工件装夹在配有分度头(A轴)的经济性立式加工中心上，一次装夹，采用标准刀具完成螺旋结构铣削加工，生产效率由原来的8小时/件变为现在2小时/件，效率大大提高。

2、本发明方法在UG8.5采用变轮廓加工策略生成以刀具侧刃加工螺旋槽侧面、以刀尖切削螺旋底面的加工刀路，实现工件中心与螺旋结构轴线不重合的加工补偿，确保了螺旋结构的加工精度，克服了现有加工方法需要依靠人工技能保证的缺陷，工件的一次性合格率由原来的80％提升为98％，加工质量显著提升。

3、本发明中通过构建全参数化定起点螺旋结构模型，大幅减少了技术准备和程序调试时间，对于同类型的螺旋结构，仅需调整螺旋结构相应设计尺寸，即可快速创建螺旋螺旋结构模型，通用强。

4、本发明方法中采用的简易心轴夹具结构简单，制造成本低，解决了现有技术需要设计多种复杂专用工装导致经济成本高的问题。

5、采用本发明方法不仅实现单件生产，尤其适用于批量生产，螺旋面尺寸一致性能得到了可靠保证，可使得该螺旋结构工件由专用件升级为可互换的标准件。安装有该工件的产品维护由原来需要更换整套配合副转变为仅需更换单个该螺旋结构工件，产品的维护成本大大降低。

6、本发明方法在进行实际数控铣削加之前，还包括仿真加工验证的过程，通过仿真加工确保加工路径准确，加工结果符合要求，避免在实际加工中反复调试加工过程，大大节省了调试时间。

附图说明

图1是本发明工件三维毛坯示意图；

图2是本发明定起点螺旋结构工件三维示意图；

图3-1是图2的主视图；

图3-2是图2的俯视图；

图3-3是图2左视图；

图3-4是图3-2局部剖视图；

图4是本发明起点螺旋机构加工步骤流程示意图；

图5是心轴夹具结构示意图；

图6是心轴示意图；

图7是定位板示意图；

图8是加工前工件与心轴夹具装夹示意图；

图9是螺旋结构加工结束后工件与心轴夹具装夹示意图；

图10是本发明起点螺旋结构经过固定点位置坐标示意图；

图11是本发明定起点截面距转换成转角示意图；

图12是本发明定起点螺线表达式变量表示意图；

图13是本发明创建定起点螺旋线示意图；

图14是本发明螺线结构截面示意图；

图15是本发明起点螺旋机构坐标变换示意图；

图16是本发明定位中心不重合程序补偿分析示意图；

图17是本发明“基础UV”的刀轴侧刃驱动UV线分析示意图；

图18是本发明可变轮廓铣加工策略示意图一；

图19是本发明可变轮廓铣加工策略示意图二；

图20是本发明部分刀轨示意图；

图21本发明后处理构造器模块示意图；

图22是本发明创建四轴(带A轴)机床示意图；

图23是本发明后置处理程序主要参数设置示意图；

图24是本发明数控仿真设置方法示意图；

图25是本发明数控仿真加工验证结果示意图。

图中：1-心轴；2-定位板；3-十字槽埋头螺钉；4-垫圈；5-螺母；6-工件；RP1-螺旋结构大径面上法向凹槽半径；RP3-螺旋结构小径面尺寸；RP4-螺旋结构大径面尺寸；P2-螺旋结构大径面的法向宽度；P5-螺旋结构中心的X向坐标尺寸；P6-螺旋结构中心的Y向坐标尺寸；P7-第一固定点E在X向的坐标尺寸；P8-第一固定点E和第二固定点F在Y向的坐标尺寸；P9-第二固定点F在X向与第一固定点E的距离。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

参照图1～25。以图1到图3-4所表示的中心轴线在实体外的起点螺旋结构为实例，描述一种利用心轴夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法，具体步骤如下：

步骤1、机床选择和工装设计；

1、机床：带分度头(A轴)的经济性数铣立式加工中心(3轴)，可实现四轴联动功能。

2、刀具：φ10mm标准立铣刀和φ6mm标准球头刀。运用立铣刀周齿加工螺旋侧面，运用立铣刀的底齿对螺旋结构最大尺寸RP3的小径面，以及RP3的大径面进行粗加工。通过球头刀具精加工大径面，以及螺旋结构法向截面凹槽RP1。

3、设计心轴夹具：

参照图5-图8，心轴夹具包括心轴1、定位块2、十字槽埋头螺钉3、垫圈4和螺母5。所述心轴1为多阶轴状，大端根部位置绕周向设有定位平面，定位块2一端通过十字槽埋头螺钉3沿轴向固定在心轴1大端外壁。工件6套装在心轴中部杆体上，一端端面与心轴大端台阶面贴合，且被定位块2另一端径向压紧，工件6另一端通过垫圈4和螺母5轴向压紧。

4、通用量具：块，用作对刀模块；百分表，工件找正位置用。

5、专用量具：起点螺旋结构尺寸检测的专用组合量具。

6、辅具：刀具夹头，百分表表杆。

准备好工装后，仔细检查数控设备，专用夹具的定位部位、夹紧装置，通用量具和通用夹具是否完好；专用量具是否在使用周期内，标准刀具直径、刀长是否满足要求。

步骤2、构建全参数化定起点螺旋结构模型；

步骤2.1、确定定起点螺旋线参数化方程。

引用螺旋线参数方程：

X＝a+r*cos(360*t*n)

Y＝b+r*sin(360*t*n) (1)

Z＝p*t*n

式中：t代表一个特殊变量，其取值范围为0～1之间的连续数；P为螺距；n为圈数；r为圆柱螺旋线半径；a、b表示圆柱螺旋线圆心轴线坐标。

通过式(1)螺旋线方程在同一面上构建符合结构要求的无数条螺旋线，由于本发明中加工要求螺旋线经过固定点，故符合该要求的螺线在同一面上有且只有一条，下面推导起点螺线参数方程。

确定螺旋线起点有两种方法，一种是通过转角确定，另一种是通过截面距确定，本发明方法采用确定转角来确定螺旋线起点。

参照图11，RP3为螺旋结构小径面尺寸，沿螺旋结构小径面所在圆柱面通过螺旋线参数方程创建两条螺旋线，分别经过第一固定点E和第二固定点F；第一固定点E和第二固定点F为产品设计要求所需经过的固定点。螺旋结构的大径面是指螺线结构最大圆弧面，小径面是指螺线结构最小圆弧底面。

构建螺旋线工作坐标系，设在螺线结构轴线中心上。

参照图3，根据螺旋结构尺寸，第一固定点E的坐标为(P7,P8-P5,P3)，第二固定点F的坐标为(P7+P9,P8-P5,P3)。本实施例中，由于P8＝P5，则第一固定点E坐标(P7,0,P3)，第一固定点F坐标(P7+P9,0,P3)。

其中，P2为螺旋结构大径面的法向宽度，P5为螺旋结构中心的X向坐标尺寸；P6为螺旋结构中心的Y向坐标尺寸；P7为第一固定点E在X向的坐标尺寸；P8-第一固定点E和第二固定点F在Y向的坐标尺寸；P9为第二固定点F在X向与第一固定点E的距离。

为了使螺旋线经过固定点，这里需要通过固定点位置推导转角表达式。螺旋运动可以分解成圆周运动和直线运动，故影响固定点位置的转角有两个：径向影响和轴向影响。

故这里增加两个变量：径向转角变量s和轴向转角变量d。

参考图12，s＝arcsin(mn/om)＝arcsin(mn/P3)；这里圆柱螺旋线半径用r表示，则有：

s＝arcsin(mn/r)；

参考图3，第一固定点E和第二固定点F在Y向的坐标尺寸相同，由于第一固定点E和第二固定点F在Y向的坐标尺寸P8等于螺旋结构中心的X向坐标尺寸P5，则有mn＝P8-P5＝0，则有s＝0。

由Z向参数方程得出转角计算公式：

d＝(L/p)*360；

L表示螺旋线上固定点沿螺旋线轴向的位置尺寸，本实施例中第一固定点E：L＝P7；第二固定点F：L＝P7+P9

由此得出经过某固定点(有起点要求的)螺旋线的参数方程为：

X＝a+r*cos(360*t*n+s+d)

Y＝b+r*sin(360*t*n+s+d) (2)

Z＝p*t*n

方程中：t代表一个特殊变量，其取值范围为0～1之间的连续数；P为螺距；n为圈数。r为圆柱螺旋线半径。a、b表示圆柱螺旋线圆心轴线坐标(x＝a、y＝b)。

s为径向转角变量，本实施例中s＝0。

d为轴向转角变量，本实施例中第一固定点E：d＝(L/p)*360＝(P7/p)*360

第二固定点F:d＝(L/p)*360＝[P7+P9)/p]*360步骤2.2、构建经过固定点(定起点)的螺旋线。

所述螺旋曲线位于螺旋结构大径面与中心截面的交线上，所述中心截面为螺旋结构大径面上的中心截面。本实施例中为双线螺旋结构，因此分别在螺旋结构的两个大径面上分别创建螺旋曲线，所创建的螺旋曲线分别经过大径面上要求的固定点。

图12为定起点螺线表达式变量表示意图。在UGNX8.5“表达式”中创建公式(2)中的参数方程及其变量。

图13为创建经过固定点螺旋线示意图。在UGNX8.5中参照公式(2)创建两条分别经过第一固定点E和第二固定点F螺旋线。

步骤2.3、构建全参化起点螺旋结构模型；

参考图14,为螺线结构截面示意图，并参考图3螺旋结构尺寸，在UGNX8.5中绘制螺旋结构法向截面，并通过扫掠步骤2.2创建的两条螺线创建定起点螺线结构特征，形成全参数化螺旋结构模型。该螺旋结构的设计尺寸变化时，模型能够实时更新，对于同类型的工件可以套用相应参数快速创建。所述设计尺寸包括螺旋结构大径面上法向凹槽半径值P1、螺旋结构小径面半径值P3、螺旋结构大径面的法向宽度P2、螺旋结构径面半径值P4、螺旋结构中心的X向坐标尺寸P5、螺旋结构中心的Y向坐标尺P6、第一固定点E在X向的坐标尺寸P7；第一固定点E和第二固定点F在Y向的坐标尺寸P8和第二固定点F在X向与第一固定点E的距离P9。

需要说明的是，可以先建立经过一点的螺旋结构，再经过复制命令建立另外一条相同螺旋结构，获得经两点的双线螺旋结构。当然也可以采用该方法建立任一多线螺旋结构。

步骤3、变换工作坐标系WCS。

参考图15，螺旋线工作坐标系WCS设在螺线结构轴线中心上，将工作坐标系WCS变换到工件中心孔的中心轴线上，变换后的WCS为实际加工时的加工坐标系。简易心轴夹具通过工件中心孔进行主定位，且是设备分度头(A轴)的旋转中心。

步骤4、参照螺旋结构模型，在UG中采用可变轮廓加工策略形成加工刀路。

(1)中心轴线不重合补偿分析与补偿策略确定。

补偿算法分析：若分度头旋转中心跟工件螺旋结构中心轴线不重合时，一旦发生旋转要进行线性补偿，分析过程描述如下：

参考图16，分度头旋转中心跟工件螺旋结构中心轴线不重合时，分度头(A轴)绕X方向旋时，工件旋转会在Y、Z方向产生线性移动。当旋转中心在螺旋结构大径尺寸RP3所在圆柱面圆心o＇时，刀具只沿X方向移动，在Y、Z方向不移动。当工件旋转中心在o点，即工件中心时，会导致刀具在Y、Z方向产生移动，这个移动值要在程序中进行补偿，就是K点相对V点在Y、Z方向的差值，K点为旋转中心变换后，工件上V点在新的旋转中心进行旋转后的实际位置，V点为螺旋结构最大圆弧面中心o＇沿正向Z与最大圆弧面RP3的交点。也就是o＂相对o＇在Y、Z方向的差值，这个差值(o＂q、o＇q)要在程序中进行补偿。

假设以o＇为旋转中心，刀具起点时x＝0,y＝y1,z＝z1,A＝0；终点时x＝L,y＝y1,z＝z1,A＝a°＝(L/P)*360,L为螺旋线长度，P为螺距。

当以o为旋转中心时，终点时坐标变为(x＝L,y＝y1+qo＂，z＝z1+o＇q，A＝(L/P)*360)。已知P6、P8、P3、a，oo＇o＂为等腰三角形，通过三角函数便可推导出qo＂和qo＇。

通过以上分析，当旋转中心不重合时必须进行线性补偿，需要采用工件体内孔装夹定位的方式装配。

补偿功能与四轴加工策略：本发明加工螺旋结构方法，采用UGNX8.5计算机辅助编程(CAM)的可变轮廓铣加工策略来实现加工。该策略本身就具有补偿效果，不需要再进行复杂的计算进行“手动编程补偿”。该加工策略可实现螺旋结构四轴加工的原因分析如下：

图17为基础UV的刀轴侧刃驱动UV线分析示意图。采用UG多轴加工的“侧刃驱动体”刀轴，此刀轴控制允许使用刀具的侧刃切削驱动曲面、刀尖切削部件底面。基于基础UV的刀轴侧刃驱动是基于UV面的加工，提取蓝色螺旋齿面的等参数曲线(UV线)进行分析(红色线)，侧面的v线与孔轴线成90度，刀轴侧刃驱动基于“基础UV”时，刀轴刚好与孔轴线垂直，能够生成四轴刀路，所以可采用带分度头(A轴)的普通立式三轴铣床加工。

螺旋结构也可采用虎钳装夹方式在五轴机床上进行加工，但从经济型考虑，采用越通用简单的机床经济型越好，三轴机床加工经济性要远好于五轴机床。

(2)参照图18和图19，选择可变轮廓铣加工策略具体设置过程为：

①指定部件：选择要加工的模型；

②指定切削区域：选择蓝色面，即为要加工的螺旋齿面

③确定驱动方法：选择曲面区域；

④曲面区域驱动设置：首先指定驱动几何体，选择蓝色螺旋齿面并设置好切削方向、切削模式、步距及步距数；切削模式选择切削；

⑤投影矢量：选择朝向驱动体；

⑥刀具：选择直径10mm的立铣刀

⑦刀轴：选择侧刃驱动体

⑧划线类型：选择基础UV

⑨刀轨设置下的切削参数、非切削参数保持默认设置即可。

螺旋结构大径面上法向凹槽RP1和螺旋结构小径面RP3、螺旋结构大径面RP4所在圆柱面的轴线也是在工件实体外，与螺旋结构轴线重合，加工采用ф6的球刀，程序设计方法与螺旋结构侧面加工方法类似，按照①-⑨分别设计截面为矩形的螺旋结构和矩形截面螺旋结构大径面上法向凹槽的加工路径。

通过上述过程可产生螺旋结构的加工刀轨，部分刀轨参考图20所示。

(3)数控程序后置处理。

后置处理的目的是把刀轨经过后处理程序生成数控机床能执行的数控程序。UG后处理程序会从UG模型文件及刀位源文件中提取信息，根据机床运动结构及数控系统指令格式进行相应的处理，最后生成机床可以执行的数控程序文件。因本发明方法，采用相对简单的加工设备，涉及不到坐标系变换、运动转换等的处理，故设备的后置处理程序简单。西门子828D系统带分度头的立式三轴铣床的后置处理程序制作过程如下：

1)参考图21和图22，在UG8.5后处理构造器模块，创建一台四轴(A轴工作台)、数控系统为西门子828D的机床，参考图22。

①选择公制，单位为毫米；选择英制，单位为英寸。

②机床结构包括四轴摆头、四轴转台、五轴双摆头、五轴双转台等等结构，这里选择为带转台的四轴机床。

③机床的数控系统选择Library下的Sinumerik_828D。对于简单的机床机构和数控系统，采用软件自带的系统模板，需要修改的地方较少。

2)参考图23，进行主要参数设置:

①设置第四轴为绕X轴旋转的A轴，设置如图22。这里把A轴旋转设置为按最短距离旋转，即A＝DC()。

②根据机床实际来设置A轴旋转方向。用A、B和C分别表示围绕坐标轴X、Y和Z的旋转运动，从坐标轴正方向观察，当顺时针旋转时旋转方向为正，此时选择Normal,反之选择Reversed。

经此过程，便可生成刀轨的数控程序。

步骤5、数控程序的加工仿真验证(Vericut8.0)

本实施例在Vericut8.0中进行进行加工仿真和尺寸精度验证。

(1)图24为数控仿真设置方法，Vericut整个设置过程与实际加工过程相对应。

选择数控机床，设置数控系统，添加毛坯模型和工件模型，确定加工坐标系；对刀，设置加工零点；选择加工刀具；添加数控程序G，进行加工仿真。

(2)参考图25，数控仿真加工验证结果示意图，红色表示过切，蓝色表示残留，没有红色和蓝色表示加工满足尺寸要求。

若满足加工要求，则将程序传输至加工设备，进行首件加工，否则调整切深参数，重新进行循环步骤4、5直至数控程序满足加工要求为止。

(3)传输程序至设备

利用DNC系统网络，传输数控程序至选用的带分度头(A轴)的经济性立式加工(3轴)中心。

步骤6、进行实际数控铣削加工。

步骤6.1、依据仿真加工过程，装夹工件和刀具。

(1)参考图8(工件用心轴夹具装夹示意图)，将毛坯件安装在简易心轴小端，一端通过螺母紧固，另一端通过压板与简易心轴侧壁固定；然后用分度头将简易心轴一夹一顶，固定在三轴数控铣立式加工中心上。

(2)检查工件装夹状况，工件是否装夹牢固、定位精确、方位正确等。

(3)用百分表，打表找正工件，确定工件与机床相对位置。

(4)依据程序和仿真，用刀柄和夹头装夹刀具后，按程序调用刀号放置在设备刀库相应位置。

步骤6.2、加工调试。

(1)利用对刀模块(块规)进行对刀确认步骤2.5.1变换后的加工坐标系。

(2)对刀后，调用程序进行首件加工，并完成切削参数的调整和确认，本实施例工件切削参数参考如下：

粗加工：转速：2500r/min切深：0.3mm切宽6mm进给1500mm/s

精加工：转速：2000r/min切深：0.2mm切宽6mm进给1000mm/s

(3)参考图9(螺旋结构加工结束后为卸前装夹示意图)，加工完毕后，卸下工件，使用螺旋结构专用组合量具检验螺旋结构尺寸。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种心轴夹具，其特征在于，包括心轴(1)、定位块(2)、螺钉和紧固组件；所述心轴(1)为多阶轴状，大端根部外壁绕周向设有多个定位平面；

所述定位块(2)沿心轴轴线方向设置，且一端通过螺钉固定在心轴(1)大端外壁上；

工件套装在心轴中部杆体上，工件一端端面与心轴大端台阶面贴合，且能够被定位块(2)另一端径向压紧，工件另一端通过紧固组件轴向压紧；心轴(1)大端另一端能够通过分度头与数控立式加工中心连接。

2.利用权利要求1所述心轴夹具对轴线在工件体外的螺旋结构进行数控铣削的方法，所述螺旋结构位于工件一侧侧壁上，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过心轴夹具将待加工工件安装在立式数控加工中心分度头上；

步骤2、获得轴线在工件体外的定起点螺旋线参数化方程，建立经过预设固定点的螺旋曲线，通过所述螺旋曲线构建全参数化定起点螺旋结构模型；

所述螺旋曲线位于螺旋结构大径面与中心截面的交线上，所述中心截面为螺旋结构大径面上的中心截面；

轴线在工件体外的定起点旋线参数化方程为：

X＝a+r*cos(360*t*n+s+d)

Y＝b+r*sin(360*t*n+s+d)

Z＝p*t*n

其中，t为特殊变量，其取值范围为0～1之间的连续数；p为螺距，n为圈数，r为圆柱螺旋线半径；a、b表示圆柱螺旋线圆心轴线坐标，a、b的值由产品尺寸计算获得；

s为径向转角变量；s＝arcsin(Δ/r)，Δ为预设固定点在Y向的坐标尺寸与螺旋结构中心的X向坐标尺寸的差值；

d为轴向转角变量，d＝(L/p)*360，L为螺旋线上固定点沿螺旋线轴向的位置尺寸；

步骤3、将螺旋结构中心轴线上工作坐标系WCS变换到工件中心孔的中心轴线上，作为加工坐标系；以待加工工件中心孔为加工定位基准，并作为数控加工中心分度头的旋转中心；

步骤4、根据螺旋结构尺寸，刀具选择标准立铣刀和标准球头刀；

步骤5、采用可变轮廓铣加工策略生成以刀具侧刃加工螺旋槽侧面、以刀尖切削螺旋底面的加工刀路；

步骤6、进行数控铣削加工。

3.根据权利要求2所述数控铣削的方法，其特征在于，所述步骤2中，构建全参数化定起点螺旋结构模型的具体过程为：

步骤2.1、引入径向转角变量s和轴向转角变量d，根据螺旋线参数方程，获得经固定点的螺旋线参数方程

X＝a+r*cos(360*t*n+s+d)

Y＝b+r*sin(360*t*n+s+d)

Z＝p*t*n；

步骤2.2、根据经固定点的螺旋线参数方程，在螺旋结构的最大螺旋曲面上，创建两条分别经过最大螺旋曲面上第一固定点和第二固定点的螺旋线；

步骤2.3、创建螺旋结构法向截面形状，并通过扫掠步骤2.2创建的两条螺旋线完成全参数化定起点螺旋结构模型的构建。

4.根据权利要求2所述数控铣削的方法，其特征在于，所述步骤4中，所述标准立铣刀的周齿用以加工螺旋结构的侧面，立铣刀的底齿用以对螺旋结构最大圆弧面和最小圆弧底面进行粗加工；

所述标准球头刀用以加工螺旋结构上的法向截面凹槽以及对螺线结构最大圆弧面进行精加工。

5.根据权利要求2所述数控铣削的方法，其特征在于，所述步骤5中，采用可变轮廓加工策略形成加工刀路的具体过程为：

(1)指定部件，选择要加工的模型；

(2)指定切削区域，即为要加工的螺旋齿面；

(3)驱动方法选择曲面区域；

(4)曲面区域驱动设置：首先指定驱动几何体，选择螺旋齿面并设置切削方向、切削模式、步距及步距数；

(5)投影矢量选择朝向驱动体；

(6)刀具选择立铣刀或球头刀；

(7)刀轴选择侧刃驱动体；

(8)划线类型选择基础UV。

6.根据权利要求2所述数控铣削的方法，其特征在于，在进行步骤6数控铣削加工之前，还包括通过步骤1-步骤5进行仿真加工验证的过程。

7.根据权利要求2所述数控铣削的方法，其特征在于，所述步骤1中立式数控加工中心为三轴数控铣立式加工中心。