CN1182001A - 圆头槽铣刀球度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量切削装置上的圆头槽铣刀的球度的方法。在切削装置的横轨下方设置激光测量装置而使激光光轴“a”位于X轴方向上。一圆头槽铣刀T装到一主轴滑枕的主轴上,该滑枕可沿主轴头的Z轴方向移动,该主轴头可在Y轴方向上移动。在转动的同时,用激光束设定铣刀T的顶端。从该顶端移动刀具的一个半径所得位置而设定球心。对90°内的每一任意角在该球的法线上滑动铣刀而测量切削面的半径,从各角度上的各半径得出铣刀T的球度。

Description

圆头槽铣刀球度的测量方法

本发明涉及测量圆头槽铣刀圆度的方法。

在切削加工金属模具时，通常以使用圆头槽铣刀的切削方法形成自由曲面，因为在切削加工曲面时，切削点位于被切削面的法线上，因此普通尖头槽铣刀无法切削出曲面。

在精加工中，特别要形成所需曲面，从而需要高精度圆头槽铣刀。

如图11(a)所示，当用刀刃形状与球形相去甚远的圆头槽铣刀T切削一工件W的盘状圆弧时，无法把被切削面精加工成所需形状。其结果示出在图11(b)中。

一般来说，圆头槽铣刀的球度取决于购买时的精度。在实际切削过程中，很难获得精确的圆度，因为精度受刀架偏移和主轴、刀刃的磨损之类普通因素的影响而降低。

刀具制造商常常使用视觉装置一边转动刀具一边用装有投影仪的刀具显微镜确定精度。因此在由研磨刀刃和卸下刀具以便测量造成的误差上还得加上肉眼观察时的测量误差。一般刀具的使用精度约为0.1mm，高精度刀具的使用精度约为0.03mm。因此，在使用这些刀具进行切削加工时的总误差显然无法获得所需精度。

通常，在使用圆头槽铣刀进行切削加工时，就切削加工斜率和刀具刚性而言，刀具的直径的范围根据切削形状约为50mm-3mm。在精加工时，原刀具离开切削线，造成局部下凹形。

如上所述，在使用圆头槽铣刀进行高精度切削时，要求球面(切削面)的球度精确。新近开发出了测量刀刃球度的刀具检查装置。如图12所示，日本专利申请公告No.Hei.7-49955(1995)公开了一种刀具检查装置，包括其上水平固定一可转动的圆头槽铣刀T的一底座的工作台101和一测量该圆头槽铣刀的切削部的形状的测量探头102。测量探头102可水平地围绕枢轴103中心转动，也可水平靠近、离开枢轴103。装在工作台101上的圆头槽铣刀T可围绕与枢轴103成直角的X轴线转动。

上述专利申请还公开了一种使用上述刀具检查装置测量圆头槽铣刀的方法。在该方法中，在准备过程中，测量探头102接触圆头槽铣刀T的顶端而计算从枢轴103中心到刀刃的顶端的距离。然后计算测量探头102所转动的角位和水平面。然后把测量探头102水平转动到与X轴线成直角的位置上，从而测量球的直径而得到其半径。根据所得结果，沿X轴线移动圆头槽铣刀而使枢轴位于离开圆头槽铣刀T的顶端一个半径的位置上。然后测量从圆头槽铣刀T到测量探头102的顶端的距离。

但是，现有技术中的刀具检查的显微镜和上述专利申请所公开的刀具检查装置的显微镜都产生由检查装置造成的误差，从而无法获得圆度精度的实际值。对于刀具使用者来说，重要的是测量装到主轴上的刀具的圆度，一个严重问题是无法测量把主轴和刀架的偏移加到刀具本身的精度上所获得的最终圆度。

为克服上述问题，本发明的一个方面是一种测量圆头槽铣刀的球度的方法，包括下列步骤：把精确外径已知的一基准刀具装到一切削装置的主轴上，在转动主轴的同时相对移动一激光装置和该基准刀具，在激光光束与基准刀具的圆周时横交时测量该圆周的位置；从该圆周的位置得到基准刀具的转动中心；用圆头槽铣刀取代基准刀具而装到主轴上，在转动主轴的同时用激光测量装置测量转动中心上圆头槽铣刀顶端的位置；从该顶端位置得出圆头槽铣刀的球心；从球心画出许多穿过圆头槽铣刀的圆周切削面的测量线；在转动主轴的同时在测量线上相对移动圆头槽铣刀和激光测量装置，当激光光束与圆头槽铣刀的圆周切削面横交时测量切削面的位置；得出从切削面的位置到球心的实际半径；从实际半径与标称半径之差得出切削面的球度。

本发明的测量方法还可包括：相对移动激光测量装置和圆头槽铣刀而测量圆头槽铣刀的转动中心两侧面上的两点；从所测量的两点之间的距离得出转动中心的位置；测量圆头槽铣刀的顶端在转动中心上的位置：从所测量的顶端位置得出球心；用激光光束测量切削面上的任意多个点；得出法线上从切削面的各点到球心的各实际半径；根据实际半径与标称半径之间的差得出切削面的球度。

此外，按照本发明，可沿切削面上的法线相对移动激光测量装置和圆头槽铣刀而测量切削面上的任意点。

此外，按照本发明，圆头槽铣刀法线上的实际半径可与标称半径重叠在阴极射线管之类显示器上。

而且，本发明可视测量精度而设定圆头槽铣刀每转动一圈圆头槽铣刀与激光测量装置的相对位移。

此外，按照本发明，激光测量装置可在圆头槽铣刀遮断激光光束或激光光束恢复传播时输出信号。

按照该圆头槽铣刀球度测量方法，在把圆头槽铣刀装到主轴上转动的状态下即与进行切削加工同样的状态下测量球度。因此，可仅在更换刀具后或仅在精加工前进行测量，从而可选择使用球度在容许值内的圆头槽铣刀。这可把被加工面精加工到接近理想形状而无需在机加工后手工修整被加工面。

此外，按照本发明，激光光束被打断或恢复传播时输出传感信号的激光测量装置设置在比方说机床工作台的角落处或横轨的端部而不妨碍正常工作。用一NC滑动装置在球面的法线上移动激光测量装置或圆头槽铣刀而由激光测量装置的传感信号测量实际半径。球度测量也可包括在自动切削程序中，从而实现自动测量。

此外，按照本发明，每一测量角的实际半径可与标称半径重叠在阴极射线管显示器上，从而可在阴极射线管显示器上看到误差的趋势，从而方便地确定超过容许值的圆头槽铣刀是否仍可用于粗加工。

此外，按照本发明，可根据测量精度自动设定转数与进刀速度之间的关系。这可按照测量精度选择最高效的测量，从而提高机床的工作效率。

图1为装在一组合加工中心机床的横轨上的一激光测量装置和一主轴头的立体图。

图2(a)和(b)说明本发明的一操作：图2(a)为一基准刀具装在主轴上时的正视图；图2(b)为图2(a)的侧视图。

图3(a)和(b)说明本发明的一操作：图3(a)为用基准刀具检测刀具侧面的一位置时的正视图；图3(b)为图3(a)的侧视图。

图4(a)和(b)说明本发明的一操作：图4(a)为检测刀具顶端的位置时的正视图；图4(b)为刀刃的侧视图。

图5说明本发明的一操作，即测量每一斜角下刀具的顶端球面。

图6(a)和(b)说明本发明的一操作，即斜角为45°时的测量；图6(a)为正视图；图6(b)为刀刃的侧视图。

图7(a)和(b)说明本发明的一操作，即斜角为90°时的测量；图7(a)为正视图；图7(b)为刀刃的侧视图。

图8(a)-(g)示出各斜角下原点O与刀刃之间的关系：图8(a)-(g)分别示出0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时的该关系。

图9(a)和(b)示出所测得的圆头槽铣刀球度在阴极射线管上的显示；图9(a)为一精度表；图9(b)表示精度很低。

图10为本发明的操作流程图。

图11(a)和(b)示出现有技术的圆头槽铣刀的球度与被加工面之间的关系；图11(a)示出圆头槽铣刀切削圆弧面时的运动；图11(b)为被加工对象的局部放大图。

图12为现有刀具检查装置的立体图。

图1为装在一用作切削装置的门状组合加工中心机床的横轨上的一激光测量装置和一主轴头的立体图。

如图1所示，一直立在一机床(未示出)旁的立柱把横轨1支撑成可在Z轴方向上运动。横轨1的正面在Y轴方向上有滑道，一主轴头2安装成可沿Y轴滑道运动。主轴头2上装有主轴滑枕3而可在Z轴方向上运动。主轴4用若干轴承可转动地装在主轴滑枕3上。用一夹头5把作为待测刀具的一圆头槽铣刀T可卸下地装到主轴4的顶部斜孔中。

一激光测量装置6经一支架7装在横轨1底面上而位于Y轴方向的端部旁，从而X轴方向上有一激光光轴。激光测量装置6控制从一激光发射器6a经一荧光件6b的小窗口到达其中的一两极管的激光光束L。当刀具与激光光束L横交时，若小窗口被遮住的面积达到90％，激光测量装置6就输出传感信号。电缆8用作供电线并把传感信号传到一NC装置(未示出)。标号9表示护盖。

激光测量装置6可使用比方说由BLUM Inc.制造的用于组合加工中心机床的激光器“MiNi”。当组合加工中心机床的NC装置(未示出)收到激光测量装置6发出的传感信号时就读取收到时的位置而立刻停止滑动。

下面结合图2(a)-图9说明按照图10所示流程图的次序用上述测量装置测量圆头槽铣刀T的球度的方法。

首先，从图2(a)、2(b)、3(a)和3(b)可见，在步骤S1中，把精确刀具直径D已知、同心度很高而不发生偏移的一圆柱形基准刀具TS装到组合加工中心机床的主轴4上后转动。在步骤S2中，基准刀具TS在Y轴方向上的位置放置成其侧面打断激光测量装置6的激光光束而得到激光测量装置6输出传感信号时的一坐标值。从所得值把基准刀具TS移动一个半径(D/2)所得位置定为主轴4的转动中心位置。这一位置在工作坐标系统No.51中记为原点Y₀。

从图4(a)和(b)可见，在步骤S3中，停止主轴4的转动，卸下基准刀具TS而把一待测圆头槽铣刀T装到主轴4上。在步骤S4，以Srpm的转速转动主轴4。在步骤S5，以工作坐标系统No.51中的原点Y₀(主轴4的中心位置)把主轴4放置在Z轴上的上限位置上(正限制位置)。在步骤S6，圆头槽铣刀T的顶端在沿Z轴方向下移过程中遮断激光光束而输出传感信号，从而存储Z轴上的一坐标。在步骤S7，所存储值设定为工作坐标系统No.H52中的原点O(Y＝0，Z＝0)。

原点O为在把激光光轴定为Y＝0和Z＝0时的测量原点。在步骤S8，从原点O向Z轴方向的正向移动刀具的预定标称半径R(球的半径)而得到位置A(Y＝0，Z＝R)而设定球心A。

设定球心的方法并不限于上述程序。例如可从转动的圆头槽铣刀在Y轴上与激光光束横交时所测量的平均值得到圆头槽铣刀的球心。当在转动中心线上向Z轴方向的负向移动圆头槽铣刀时，圆头槽铣刀遮断激光光束的一点设定为圆头槽铣刀的顶端。从该顶端位置向Z轴的正向移动一个标称半径所得一点可用作球心。

从图5可见，在步骤S9，对围绕原点O(激光光轴)的90°内的每一任意角θ、比方说θ＝15°确定一测量线。从方程1得出在该球的一个标称半径R上加上一小数量、比方说在该实施例中为1mm的位置C而作为与原点O的差。球心A位于C点。因此，激光光轴(原点O)在斜角为θ的测量线OA的延长线上离开圆头槽铣刀的切削面约1mm的位置上。

Y2＝-(R+1)Sinθ

Z2＝-R+(R+1)Cosθ(方程1)

从图6(a)、6(b)、7(a)和7(b)可见，在步骤S10中，从方程2中得出在测量线OA负向上一小数量、比方说在该实施例中为1mm的位置B作为与原点O的差。球心A以比方说F＝S/1000mm/min的进刀速度沿X-Z轴滑动而移动到位置B，其中，S为主轴4的转数。当圆头槽铣刀T的切削面即转动刀刃的顶端遮断激光光束而输出传感信号时停止滑动而记录此时球心A的坐标值。

Y1＝-(R-1)Sinθ

Z1＝-R+(R-1)Cosθ(方程2)

当进刀速度F如上所述设定为1/1000主轴的转数S时，若该转数为6000rpm，则进刀速度为6mm/min。这就是说，如不计机械精度，刀刃以每转0.001mm/min接近激光光轴。若计及机械精度，可自动设定进刀速度对刀具转数的比例。测量精度的范围可为0.1-0.00001mm。

尽管在上述测量中，刀刃向激光光轴移动，但刀刃也可移离激光光轴以便在运动过程中得到激光光轴离开刀刃的位置。

尽管在上述说明中圆头槽铣刀在通过球心的测量线上移动，但测量线也可与Y轴或Z轴平行。

从图8(a)-(g)可见，在步骤S11中，确定斜角θ是否为90°，即是否以15°间隔进行7次测量。如为“否”，则该过程回到步骤S9。如为“是”，则在步骤S12反复进行各角度θ下的测量直到90°，记录球心A的各值。计算原点O与球心A的各值之间的差。在步骤S13，计算所得各差与标称半径R之间的差。在步骤S14，所得各差与在球心A的标称半径R的圆弧上计算所得的对应标称半径R重叠在阴极射线管显示器上。

在步骤S15，主轴4(圆头槽铣刀T)放置在Z轴上上限位置(正限制位置)上，从而完成测量。

尽管在该实施例中激光测量装置6放置成激光光轴a面向X轴以便沿Y-Z轴滑动而进行测量，但激光测量装置6也可放置成激光光束L面向Y轴以便沿X-Z轴滑动而进行测量。

尽管在该实施例中用NC装置计算数据而得出球度的阴极射线管显示，但也可把数据传到其他计算控制器、比方说个人计算机而进行所需计算，从而在该计算机的控制下进行阴极射线管显示。

此外，也可从所得顶端位置在Z轴上移动圆头槽铣刀的一个标称半径而到达一位置而得出径向测量值。把径向测量值作为标称半径也可进行测量。

此外，本发明测量方法所得结果可用作刀具刀刃的形状精度数据而用于根据刀具刀刃的形状精度矫正误差的方法中。本申请人在日本专利申请公告No.Hei.2-311242(1990)中公开了这样一种方法。

为设定球心，也可测量圆头槽铣刀的切削面上的三点，然后用数值控制装置或个人计算机计算一通过该三点的圆弧的中心而得出球心。

如上所述，可在切削状态下自动测量切削装置上的圆头槽铣刀的球度。即，该状态计及刀具、刀架、主轴等的偏移，从而该测量与切削面相符。因此可选择球度极佳的圆头槽铣刀精加工出形状、精度极佳的工件。

尽管使用刀具头磨损数据确定是否应更换刀具是公知的，但本发明的测量方法考虑到径向刀刃的磨损，从而可精确确定更换刀具的时间。

所测得实际半径与标称半径重叠其上的阴极射线管显示可迅速确定局部球度。根据所显示形状，可预测哪一部分会造成被加工面形状不符合要求。所显示出的形状也可在重新研磨刀具时用作参考数据。

监视刀具的磨损部位可识别出磨损厉害的加工部位。该信息可用作切削方法检查数据，也可用作在磨损厉害部位加强刀刃以及改进切削部件、例如造成磨损厉害的形状或材料的数据。

尽管上面说明了本发明的当前的优选实施例，但应看到，可对该实施例作出种种修正，后附权利要求覆盖本发明的精神和范围内的所有这类修正。

Claims (6)

1，一种测量圆头槽铣刀球度的方法，其特征在于，包括下列步骤：

把外径已知的一基准刀具装到一切削装置的主轴上，在转动主轴的同时相对移动一激光装置和该基准刀具，在激光光束与基准刀具的圆周横交时测量该圆周的位置；

从该圆周的位置得出基准刀具的转动中心；

用圆头槽铣刀取代基准刀具而装到主轴上，在转动主轴的同时用激光测量装置测量转动中心上圆头槽铣刀顶端的位置；

从该顶端位置得出圆头槽铣刀的球心；

从球心画出许多穿过圆头槽铣刀的圆周切削面的测量线；

在转动主轴的同时在测量线上相对移动圆头槽铣刀和激光测量装置，当激光光束与圆头槽铣刀的圆周切削面横交时测量切削面的位置；

得出从切削面的位置到球心的实际半径；以及

从实际半径与标称半径之差得出切削面的球度。

2，按权利要求1所述的测量方法，其特征在于，进一步包括下列步骤：

相对移动激光测量装置和圆头槽铣刀而测量圆头槽铣刀的转动中心两侧面上的两点；

从所测量的两点之间的距离得出转动中心的位置；

测量圆头槽铣刀的顶端在转动中心上的位置；

从所测量的顶端位置得出球心；

用激光光束测量切削面上的多个任意点；

得出法线上从切削面的各点到球心的各实际半径；以及

根据实际半径与标称半径之差得出切削面的球度。

3，按权利要求1所述的测量方法，其特征在于，沿切削面上的法线相对移动激光测量装置和圆头槽铣刀而测量切削面上的任意点。

4，按权利要求1所述的测量方法，其特征在于，圆头槽铣刀法线上的实际半径可与标称半径重叠在显示器上。

5，按权利要求1所述的测量方法，包括下列步骤：视测量精度设定圆头槽铣刀每转动一圈圆头槽铣刀与激光测量装置的相对位移。

6，按权利要求1所述的测量方法，其特征在于，激光测量装置在圆头槽铣刀遮断激光光束或激光光束恢复传播时输出信号。

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