CN105171077A - 一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法，包括：(a)为具备复合斜面的工件选择装有立铣刀的三轴联动数控机床作为加工设备，采用直线切削方式执行加工，并将切削方向设定如下：设被加工复合斜面与水平面形成有平面角为θ的二面角，则该切削方向保持与处于复合斜面上且组成该平面角的一边相重合或平行；(b)在整个铣削加工过程中，将切削步距与复合斜面的表面粗糙度之间按照特定算法执行控制。通过本发明，能够在严格满足技术加工要求的情况下，实现对复合斜面工件表面粗糙度的高精度控制，同时具备加工效率高、显著降低加工成本和便于操控等优点。

Description

一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法

技术领域

本发明属于机械加工相关技术领域，更具体地，涉及一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法。

背景技术

机械加工过程中往往会遇上具有多角度、多曲面的复杂零件及组合件，如复合斜面工件、特型刀具、精密镶配组合件等各类难加工工件。其中，如果工件的基准面是一个矩形面，它的斜面同时向基准面两个坐标方向发生倾斜，则此斜面称之为复合斜面，典型的复合斜面工件譬如包括星形件等。

现有技术中对复合斜面的加工方式通常是利用两坐标轴联动的三坐标数控机床执行“两轴半”联动加工，并采用任意两轴联动插补，第三轴作单独的周期性进刀。然而，进一步的研究表明，上述技术难于实现对复合斜面的表面粗糙度的一次加工到位，而且其精度受到较大的影响。其原因为：首先，考虑到复合斜面在空间的几何角度影响，复合斜面与水平面所形成的二面角不同，这样在切削步距保持不变的情况下，加工得到的表面粗糙度也会发生改变；其次，排除刀具磨损及走刀速度等因素，影响加工面粗糙度的关键为第三轴的单独周期性进刀即切削步距的大小；当步距偏大时，加工面的粗糙度值会偏大，偏离技术要求，而通过减小步距再次试切则会导致加工总时间会明显变长；当步距偏小时，加工面粗糙度值也会偏小，虽然高于技术要求，但加工效率就会变低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法，其中通过结合复杂斜面自身的结构及其铣削加工特点，从多个加工参数中重点选择切削步距进行研究并构建特定算法来准确确定其与表面粗糙度之间的互相影响，相应能够在严格满足技术加工要求的情况下，实现对复合斜面工件表面粗糙度的高精度控制，同时具备加工效率高、显著降低加工成本和便于操控等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法，其特征在于，该方法包括：

(a)为具备复合斜面的工件选择装有立铣刀的三轴联动数控机床作为加工设备，采用直线切削方式执行加工，并将切削方向设定如下：设被加工复合斜面与水平面形成有平面角为θ的二面角，该平面角θ由处于复合斜面上的射线OA与处于水平面上的射线OB共同组成，则该切削方向保持与所述射线OA相重合或平行；

(b)在整个铣削加工过程中，将切削步距与复合斜面的表面粗糙度之间始终按照以下公式执行控制：

$L=2\sqrt{\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\[D-2r(1-sin\mathrm{\θ})-\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\]}$

其中，L表示切削步距，单位为毫米；Ra表示复合斜面所要求达到的表面粗糙度，单位为毫米；θ表示复合斜面与水平面所形成的二面角的平面角且D表示所述立铣刀的直径，单位为毫米；r表示所述立铣刀的刀尖圆角。

作为进一步优选地，所述立铣刀刀尖圆角r与所述立铣刀直径D之间的关系优选设定如下：

作为进一步优选地，所述具备复合斜面的工件譬如为星形件或其他类似工件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对其工艺加工条件进行专门设计，尤其是从多个加工参数中选择切削步距并对其与表面粗糙度之间的相互影响关系进行研究，测试表面能够在实际铣削过程中在加工质量和加工效率获得较好的平衡，同时显著改善现有技术中复合斜面表面粗糙度难于一次性加工到位和精度偏低的问题，因而尤其适用于各类具备复合斜面的难加工工件的铣削加工场合。

附图说明

图1是按照本发明所构建的复合斜面铣削加工方法的工艺流程图；

图2是用于示范性显示在铣削过程中复合斜面与水平面之间所形成的二面角及其平面角的示意图；

图3是用于显示本发明中所采用的立铣刀处于切削状态时的结构示意图；

图4是按照本发明的工艺方法执行铣削加工后所形成的表面粗糙度示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的复合斜面铣削加工方法的工艺流程图。如背景技术部分所解释的，本发明中正是意识到对于复合斜面之类的难加工工件铣削而言，影响其加工表面粗糙度的关键因素在于第三轴的单独周期性进刀，即切削步距的大小。相应地，专门对此进行了研究并相应构建算法来准确确定其与表面粗糙度之间的相互影响关系。

具体而言，首先，为具备复合斜面的工件选择装有立铣刀的三轴联动数控机床作为加工设备，采用直线切削方式执行加工，并将切削方向设定如下：参照图2，设被加工复合斜面α与水平面β形成有平面角为θ的二面角，该平面角θ由处于复合斜面上的射线OA与处于水平面上的射线OB共同组成，则该切削方向保持与所述射线OA相重合或平行；换而言之，也即切削方向为所加工复合斜面与水平面组成的二面角的平面角的一边，并且此边处于复合斜面内。

接着，在整个铣削加工过程中，将切削步距与复合斜面的表面粗糙度之间始终按照以下公式执行控制：

$L=2\sqrt{\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\[D-2r(1-\sin \mathrm{\θ})-\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\]}$

其中，譬如可参照图3，其中L表示切削步距，单位为毫米；Ra表示复合斜面所要求达到的表面粗糙度，单位为毫米；θ表示复合斜面与水平面所形成的二面角的平面角且D表示所述立铣刀的直径，单位为毫米；r表示所述立铣刀的刀尖圆角。

下面将参照图2至图4来进一步解释上述算法公式的推导过程。

根据图2可得出，

$R=\frac{D-2r(1-sin\mathrm{\θ})}{2}$ 式(1)

其中，D表示立铣刀的直径，r表示立铣刀的刀尖圆角，θ表示复合斜面与水平面所形成的二面角的平面角且R表示有效切削刀具半径。

根据多次的对比测试和实际加工结果，可形成图4中所示的三角形CDE，并表示为：

${\left(\frac{L}{2}\right)}^2+{(R-{\mathrm{Ra}}^{\′})}^2=R^2$ 式(2)

其中，Ra′表示每切削步距在水平方向残留高度，L表示切削步距。

因Ra′与Ra、θ存在如下关系

${\mathrm{Ra}}^{\′}=\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}$ 式(3)

将式(1)、式(3)代入式(2)，整理后可得

$L=2\sqrt{\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\[D-2r(1-\sin \mathrm{\θ})-\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\]}$

综上，通过本工艺方法，将直径为D，刀尖圆角为r的立铣刀装入三轴联动的数控铣床，运行相应数控程序，并按照上述的直线切削及切削策略执行加工；与此同时，在整个铣削过程中将切削步距与期望达到的表面粗糙度之间按照以上关系式进行控制，相应地，能够在严格满足技术加工要求的情况下，实现对复合斜面工件表面粗糙度的高精度控制，同时具备加工效率高、显著降低加工成本和便于操控等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高精度控制表面粗糙度的复合斜面铣削加工方法，其特征在于，该方法包括：

(a)为具备复合斜面的工件选择装有铣刀的三轴联动数控机床作为加工设备，采用直线切削方式执行加工，并将切削方向设定如下：设被加工复合斜面与水平面形成有平面角为θ的二面角，该平面角θ由处于复合斜面上的射线OA与处于水平面上的射线OB共同组成，则该切削方向保持与所述射线OA相重合或平行；

(b)在整个铣削加工过程中，将切削步距与复合斜面的表面粗糙度之间始终按照以下公式执行控制：

$L=2\sqrt{\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\[D-2r(1-sin\mathrm{\θ})-\frac{Ra}{\sin \mathrm{\θ}}\]}$

其中，L表示切削步距，单位为毫米；Ra表示复合斜面所要求达到的表面粗糙度，单位为毫米；θ表示复合斜面与水平面所形成的二面角的平面角且D表示所述立铣刀的直径，单位为毫米；r表示所述立铣刀的刀尖圆角。

2.如权利要求1所述的复合斜面铣削加工方法，其特征在于，所述立铣刀刀尖圆角r与所述立铣刀直径D之间的关系优选设定如下：

3.如权利要求1或2所述的复合斜面铣削加工方法，其特征在于，所述具备复合斜面的工件优选为星形件或者其他类似工件。