CN117862575A - 曲面拐角镜面加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种曲面拐角镜面加工方法，使用数控机床对工件的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角，数控机床具有三轴带动的刀盘及角度头，刀盘上设置有线性结构的第一、二、三刀具，角度头上设置有可自转的滚动刀具，其方法包括：建立工件的数学模型并导入所需加工的曲线拐角的曲率半径及弧线，于数学模型中标定出需要切除的部分；按照先后顺序依次调取第一刀具、第二刀具、第三刀具、滚动刀具对工件进行直线性削切，削切掉凸出最外的三角形区域，最后通过铣刀通过铣刀的铣磨工艺使得曲面拐角表面能快速且有效的形成达标的镜面效果由此可见，本发明曲面拐角镜面加工方法所加工出来的镜面效果好，且加工精度高及加工效率快。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化领域，尤其涉及一种使用数控机床对工件的直角拐角加工成呈镜面的方法。
背景技术
高精度金属镜面广泛应用于深空探测、天文观测等关键技术领域，目前主要采用超精密车削方法制造高精度金属镜面。在使用高精度数控机床并严格控制加工环境的振动、温度和湿度等的条件下，已经够获得纳米级表面粗糙度的金属镜面。目前限制金属镜面加工精度进一步提高的关键因素是材料的金相组织。具体而言，应用于镜面加工的金属材料一般为多晶材料，多晶材料制造过程中受凝固速度等因素的影响，金属晶粒尺寸偏大、晶粒的取向一致性差。金属晶粒的取向不同导致相邻金属晶粒的力学性能不同，从而车削加工后相邻金属晶粒的弹性回复数值不同，最终导致超精密车削加工的金属镜面表面粗糙度显著增大。因此，由于现有金属材料金相组织的影响，金属镜面的加工精度无法进一步提高。
因此，亟需提供一种镜面效果加工精度高且加工效率快的曲面拐角镜面加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镜面效果加工精度高且加工效率快的曲面拐角镜面加工方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种曲面拐角镜面加工方法，使用数控机床对工件的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角，其特征在于，所述数控机床具有三轴带动的刀盘及角度头，所述刀盘上设置有线性结构的第一刀具、第二刀具及第三刀具，所述角度头上设置有可自转的滚动刀具，所述滚动刀具呈圆柱状，所述滚动刀具上凸设有若干刀片；所述曲面拐角镜面加工方法包括：
获取曲线拐角的曲率半径及弧线长度；
获取工件的几何参数并建立对应的数学模型；
于所述数学模型中标定出需要加工的直角拐角；
向所述数学模型中导入所述曲率半径及弧线长度，并标定出需要切除的部分；
从标定出需要切除的部分中找出两侧的边缘点A、边缘点B及直角拐角点C；
以线段AC和线段BC的中线生成控制所述第一刀具进刀路径的第一削切方案，所述第一削切方案削切后于所述线段AC上形成端点D、于所述线段BC上形成端点E；
以线段AD和线段ED的中线生成控制所述第二刀具进刀路径的第二削切方案，所述第二削切方案削切后于所述线段AD上形成端点F、于所述线段ED上形成端点G；
以线段BE的中点和端点G的连线生成控制所述第二刀具进刀路径的第三削切方案，所述第三削切方案削切后于所述线段BE上形成端点H；所述第二削切方案的进刀路径方向由端点F至端点G方向，所述第三削切方案的进刀路径方向由端点G至端点H方向，所述第二刀具于所述端点G处偏转一定角度至端点G至端点H方向执行所述第三削切方案；
以线段FG和线段GH的中线生成控制所述第三刀具进刀路径的第四削切方案，所述第四削切方案削切后于所述线段FG上形成端点I、于所述线段GH上形成端点J；
剩余弧线AB和折线段A－F－I－J－H－B构成滚刀区，以所述滚刀区生成控制所述滚动刀具进刀路径及偏移量的曲面削切方案；
将工件固定于数控机床的平台上，并将所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案导入所述数控机床；
所述数控机床按照所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案的顺序依次执行完对工件的削切，形成半镜面效果的曲面拐角；所述数控机床预存有表征曲面拐角镜面效果达标的预设值，所述预设值为曲面拐角表面对光的反射率；
用铣刀替换所述滚动刀具对半镜面效果的曲面拐角表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率到达预设值则停止对曲面拐角表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率未到达预设值则继续对曲面拐角表面进行铣磨直至达到所述预设值为止。
本发明通过将需要加工的曲面拐角的数据导入到通过以工件的几何参数为基础而建立的数学模型中，从而精准的定出需要切除的部分。以该需要被切除的部分在直角拐角中的位置为基础，通过中线法用直线削切的方式依次从外往往内削切掉最凸出的四块三角形区域，最后形成一侧弧线另一侧多折线段构成的封闭的滚刀区。通过圆柱状且具有刀片的滚动刀具的自转及偏移削切掉该滚刀区，并形成半镜面效果的曲面拐角。最后通过用铣刀替换滚动刀具对半镜面效果的曲面拐角表面进行铣磨，得到符合标准的呈镜面的曲面拐角。本发明按照先后顺序依次调取第一刀具、第二刀具、第三刀具、滚动刀具及铣刀对工件进行加工，即本发明依次通过四次直线性削切、滚动削切及铣磨而完成对工件的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角的目的，使得将整个加工方案分解成若干刀具对应的分控程序进行执行，有效的将复杂的工艺分解成了若干简单的分控程序，既提高了加工精度又提高了加工效率。同时，本发明最后通过铣刀的铣磨工艺使得曲面拐角表面能快速且有效的形成达标的镜面效果。由此可见，本发明曲面拐角镜面加工方法所加工出来的镜面效果好，且加工精度高及加工效率快。
较佳地，本发明曲面拐角镜面加工方法中，所述获取工件的几何参数并建立对应的数学模型进一步包括：获取工件的设计参数和依据所述设计参数生产的工件的实际参数；根据所述设计参数和所述实际参数，建立工件模型；从所述工件模型中提取出工件的几何参数；以所述几何参数为基础，用SolidWorks软件建立形成对应的数学模型。本发明通过设计参数和实际参数用SolidWorks软件建立形成数学模型，使得该数学模具在理论的设计参数基础上进行了实际参数的修正而形成，确保了该数学模型的准确性，为后续以此数学模型为基础形成的削切方案提供了准确的数据来源，进一步的提高了本发明的加工精度和镜面效果。
附图说明
图1为本发明一实施例的工件的示意图。
图2a为在图1基础上进行标定出的第一削切方案的状态图。
图2b为图2a完成第一削切方案后的结构示意图。
图3a为在图2b基础上进行标定出的第二削切方案的状态图。
图3b为图3a完成第二削切方案后的结构示意图。
图4a为在图3b基础上进行标定出的第三削切方案的状态图。
图4b为图4a完成第三削切方案后的结构示意图。
图5a为在图4b基础上进行标定出的第四削切方案的状态图。
图5b为图5a完成第四削切方案后的结构示意图。
图6a为图5b的基础上标定出滚刀区的状态图。
图6b为图6a完成曲面削切方案后的结构示意图。
图7为本发明滚动刀具的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施事例和附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，对本发明技术方案进行阐述说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1－图7所示，本发明曲面拐角镜面加工方法为使用数控机床对工件100的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角之用。本发明所用之数控机床具有三轴带动的刀盘及角度头，所述刀盘上设置有线性结构的第一刀具、第二刀具及第三刀具，所述角度头上设置有可自转的滚动刀具1，该滚动刀具1呈圆柱状，该滚动刀具1上凸设有若干刀片11，具体地，所述刀片呈条状结构且横截面呈三角锥形。具体地，本发明曲面拐角镜面加工方法包括：
步骤1：获取曲线拐角的曲率半径及弧线长度；可以理解为：该曲线拐角的曲率半径及弧线长度为图1中的弧线AB的曲率半径及弧形长度。
步骤2：获取图1所示工件100的几何参数并建立对应的数学模型。
步骤3：于所述数学模型中标定出需要加工的直角拐角。
步骤4：向所述数学模型中导入所述曲率半径及弧线长度，并标定出需要切除的部分；可以理解为：该需要切除的部分为图1中所示阴影区域。
步骤5：从标定出需要切除的部分中找出两侧的边缘点A、边缘点B及直角拐角点C，具体详见图1所示。
步骤6：以线段AC和线段BC的中线L1(图2a所示)生成控制所述第一刀具进刀路径的第一削切方案，所述第一削切方案削切后于所述线段AC上形成端点D、于所述线段BC上形成端点E。可以理解为：该第一削切方案为在图2a的基础上沿虚线L1削切掉图2a中阴影区域部分；削切掉图2a中阴影区域部分即得到图2b所示形状。
步骤7：以线段AD和线段ED的中线L2(图3a所示)生成控制所述第二刀具进刀路径的第二削切方案，所述第二削切方案削切后于所述线段AD上形成端点F、于所述线段ED上形成端点G。可以理解为：该第二削切方案为在图3a的基础上沿虚线L2削切掉图3a中阴影区域部分；削切掉图3a中阴影区域部分即得到图3b所示形状。
步骤8：以线段BE的中点和端点G的连线L3(图4a所示)生成控制所述第二刀具进刀路径的第三削切方案，所述第三削切方案削切后于所述线段BE上形成端点H；所述第二削切方案的进刀路径方向由端点F至端点G方向，所述第三削切方案的进刀路径方向由端点G至端点H方向，所述第二刀具于所述端点G处偏转一定角度至端点G至端点H方向执行所述第三削切方案。可以理解为：该第三削切方案为在图4a的基础上沿虚线L3削切掉图4a中阴影区域部分；削切掉图4a中阴影区域部分即得到图4b所示形状；第二刀具于端点G处偏转的角度为虚线L3与线段GE的夹角。
步骤9：以线段FG和线段GH的中线L4(图5a所示)生成控制所述第三刀具进刀路径的第四削切方案，所述第四削切方案削切后于所述线段FG上形成端点I、于所述线段GH上形成端点J。可以理解为：该第三削切方案为在图5a的基础上沿虚线L4削切掉图5a中阴影区域部分；削切掉图5a中阴影区域部分即得到图5b所示形状。
步骤10：剩余弧线AB和折线段A－F－I－J－H－B构成滚刀区(图6a中阴影区域部分所示)，以所述滚刀区生成控制所述滚动刀具进刀路径及偏移量的曲面削切方案。
步骤11：将工件固定于数控机床的平台上，并将所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案导入所述数控机床。
步骤12：所述数控机床按照所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案的顺序依次执行完对工件的削切，形成半镜面效果的曲面拐角；即工件100的状态从图1－图2b－图3b－图4b－图5b－图6b。本发明所述数控机床预存有表征曲面拐角镜面效果达标的预设值，所述预设值为曲面拐角表面对光的反射率；
步骤13：用铣刀替换所述滚动刀具对半镜面效果的曲面拐角表面进行铣磨，即对图6a所示状态的曲面AB(也即弧形AB)表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率到达预设值则停止对曲面拐角表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率未到达预设值则继续对曲面拐角表面进行铣磨直至达到所述预设值为止。具体地，本发明于数控机床上设置有现有的光源发生器和光源检测器，在进行曲面拐角表面进行铣磨时，光源发生器一直发射固定强度的光于曲面拐角表面的一固定区域，光源检测器实时的检测经表面反射回的反射光的强度，当反射光的强度与发射出光的强度的比值达到预设的反射率时，光源检测器发出停止铣磨的信号至数控机床的控制台，该控制台控制关闭铣刀工作，从而完成镜面效果达标的曲面拐角加工。
如图1－图7所示，本发明通过将需要加工的曲面拐角的数据导入到通过以工件的几何参数为基础而建立的数学模型中，从而精准的定出需要切除的部分。以该需要被切除的部分在直角拐角中的位置为基础，通过中线法用直线削切的方式依次从外往往内削切掉最凸出的四块三角形区域，最后形成一侧弧线另一侧多折线段构成的封闭的滚刀区。通过圆柱状且具有刀片的滚动刀具的自转及偏移削切掉该滚刀区，并形成半镜面效果的曲面拐角。最后通过用铣刀替换滚动刀具对半镜面效果的曲面拐角表面进行铣磨，得到符合标准的呈镜面的曲面拐角。本发明按照先后顺序依次调取第一刀具、第二刀具、第三刀具、滚动刀具及铣刀对工件进行加工，即本发明依次通过四次直线性削切、滚动削切及铣磨而完成对工件的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角的目的，使得将整个加工方案分解成若干刀具对应的分控程序进行执行，有效的将复杂的工艺分解成了若干简单的分控程序，既提高了加工精度又提高了加工效率。同时，本发明最后通过铣刀的铣磨工艺使得曲面拐角表面能快速且有效的形成达标的镜面效果。由此可见，本发明曲面拐角镜面加工方法所加工出来的镜面效果好，且加工精度高及加工效率快。
更具体地，本发明曲面拐角镜面加工方法中，所述获取工件的几何参数并建立对应的数学模型进一步包括：获取工件的设计参数和依据所述设计参数生产的工件的实际参数；根据所述设计参数和所述实际参数，建立工件模型；从所述工件模型中提取出工件的几何参数；以所述几何参数为基础，用SolidWorks软件建立形成对应的数学模型。本发明通过设计参数和实际参数用SolidWorks软件建立形成数学模型，使得该数学模具在理论的设计参数基础上进行了实际参数的修正而形成，确保了该数学模型的准确性，为后续以此数学模型为基础形成的削切方案提供了准确的数据来源，进一步的提高了本发明的加工精度和镜面效果。
本发明所涉及的数控机床的基本结构及工作原理，均为本领域普通技术人员所熟知的，在此不再作详细的说明。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。同时，以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (2)
1.一种曲面拐角镜面加工方法，使用数控机床对工件的直角拐角加工成呈镜面的曲面拐角，其特征在于，所述数控机床具有三轴带动的刀盘及角度头，所述刀盘上设置有线性结构的第一刀具、第二刀具及第三刀具，所述角度头上设置有可自转的滚动刀具，所述滚动刀具呈圆柱状，所述滚动刀具上凸设有若干刀片；所述曲面拐角镜面加工方法包括：
获取曲线拐角的曲率半径及弧线长度；
获取工件的几何参数并建立对应的数学模型；
于所述数学模型中标定出需要加工的直角拐角；
向所述数学模型中导入所述曲率半径及弧线长度，并标定出需要切除的部分；
从标定出需要切除的部分中找出两侧的边缘点A、边缘点B及直角拐角点C；
以线段AC和线段BC的中线生成控制所述第一刀具进刀路径的第一削切方案，所述第一削切方案削切后于所述线段AC上形成端点D、于所述线段BC上形成端点E；
以线段AD和线段ED的中线生成控制所述第二刀具进刀路径的第二削切方案，所述第二削切方案削切后于所述线段AD上形成端点F、于所述线段ED上形成端点G；
以线段BE的中点和端点G的连线生成控制所述第二刀具进刀路径的第三削切方案，所述第三削切方案削切后于所述线段BE上形成端点H；所述第二削切方案的进刀路径方向由端点F至端点G方向，所述第三削切方案的进刀路径方向由端点G至端点H方向，所述第二刀具于所述端点G处偏转一定角度至端点G至端点H方向执行所述第三削切方案；
以线段FG和线段GH的中线生成控制所述第三刀具进刀路径的第四削切方案，所述第四削切方案削切后于所述线段FG上形成端点I、于所述线段GH上形成端点J；
剩余弧线AB和折线段A－F－I－J－H－B构成滚刀区，以所述滚刀区生成控制所述滚动刀具进刀路径及偏移量的曲面削切方案；
将工件固定于数控机床的平台上，并将所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案导入所述数控机床；
所述数控机床按照所述第一削切方案、所述第二削切方案、所述第三削切方案、所述第四削切方案及所述曲面削切方案的顺序依次执行完对工件的削切，形成半镜面效果的曲面拐角；所述数控机床预存有表征曲面拐角镜面效果达标的预设值，所述预设值为曲面拐角表面对光的反射率；
用铣刀替换所述滚动刀具对半镜面效果的曲面拐角表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率到达预设值则停止对曲面拐角表面进行铣磨；若曲面拐角表面的反射率未到达预设值则继续对曲面拐角表面进行铣磨直至达到所述预设值为止。
2.如权利要求1所述的曲面拐角镜面加工方法，其特征在于，所述获取工件的几何参数并建立对应的数学模型进一步包括：
获取工件的设计参数和依据所述设计参数生产的工件的实际参数；
根据所述设计参数和所述实际参数，建立工件模型；
从所述工件模型中提取出工件的几何参数；
以所述几何参数为基础，用SolidWorks软件建立形成对应的数学模型。
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