CN108145187A - 用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，涉及一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺，用于加工轴向均布内球面槽的刀具包括成型刀头、刀杆以及螺钉；刀杆上设置有圆柱孔以及螺纹孔；成型刀头设置在刀杆的圆柱孔中；螺钉设置在刀杆的螺纹孔中并挤压在成型刀头上；成型刀头伸出刀杆的长度是待加工球面槽的圆球半径的1.5‑2倍；成型刀头伸出刀杆的部分整体呈鱼鳍状；成型刀头伸出刀杆的部分的截面呈字母n型。本发明提供了一种和专用机床附件角度动力头与设备匹配通用性好、便于对轴向均布内球面槽加工的用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺。

Description

用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种用于加工槽体的刀具及加工方法，尤其涉及一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺。

背景技术

如图1所示，某薄壁零件内孔表面有4处轴向均布内球面槽，该槽横截面为圆弧形状，沿轴向长度方向未完全贯通，且未贯通处为球面形状。对于该类型轴向均布内球面槽，目前常见的有以下几种加工方法：

1)在插床上通过专用成型插刀加工内圆弧槽，通过专用夹具分度实现均布，缺点是无法实现沿轴向长度方向未完全贯通的均布内球面槽的加工，且夹具分度的精度较低。

2)在立式加工中心上使用专用机床附件角度动力头进行加工，角度动力头结构是利用一对成90°的锥齿轮，将主轴的旋转方向由垂直方向转换为水平方向，通过球面铣刀的水平方向旋转和沿水平方向及垂直方向的进给，以及主轴的定向和分度功能，实现轴向均布内球面槽的加工。优点是可选择标准的球面铣刀进行加工；缺点是专用机床附件角度动力头的通用性较差，必需由机床厂家定制，且设计和制造成本较高(通常在20万左右)。

3)在车削中心上使用专用机床附件角度动力头完成加工，角度动力头结构是利用两对成90°的锥齿轮，将刀具的切削方向旋转180°，使用球面铣刀沿径向旋转，和沿径向及轴向进给，实现轴向均布内球面槽的加工。优点是可选择标准的球面铣刀进行加工；缺点是首先专用机床附件角度动力头外伸杆太长，加工刚性较差，零件加工质量不稳定；其次角度动力头属于专用机床附件，在不同型号的车削中心上的通用性较差；最后角度动力头必需由机床厂家定制，设计和制造成本较高(通常在20万左右)。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种和专用机床附件角度动力头与设备匹配通用性好、便于对轴向均布内球面槽加工的用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具，其特征在于：所述用于加工轴向均布内球面槽的刀具包括成型刀头、刀杆以及螺钉；所述刀杆上设置有圆柱孔以及螺纹孔；所述成型刀头设置在刀杆的圆柱孔中；所述螺钉设置在刀杆的螺纹孔中并挤压在成型刀头上；所述成型刀头伸出刀杆的长度是待加工球面槽的圆球半径的1.5-2倍；所述成型刀头伸出刀杆的部分整体呈鱼鳍状；所述成型刀头伸出刀杆的部分的截面呈字母n型。

上述成型刀头包括切削部件以及与切削部件相连的装夹部件；所述切削部件包括切削刃；所述切削部件整体呈鱼鳍状；所述切削刃的截面呈字母n型且与待切削的轴向内球面槽的球面外形及尺寸相匹配；所述装夹部件设置在刀杆的圆柱孔中并通过螺钉固定。

上述装夹部件包括圆柱杆以及设置在圆柱杆上的定向平面；所述圆柱杆设置在刀杆的圆柱孔中；所述螺钉挤压在定向平面上；所述定向平面与待切削零件的切削平面平行。

上述刀杆包括刀杆本体以及设置在刀杆本体的装夹定向平面；所述圆柱孔以及螺纹孔分别设在刀杆本体上。

一种基于如前所述的加工轴向均布内球面槽的刀具对轴向内球面槽的加工工艺，其特征在于：所述工艺包括以下步骤：

1)将待加工的零件夹持在车床主轴卡盘的软三爪上，通过数控编程指令将主轴定向为0°，机床主轴固定不旋转；

2)将成型刀头装入刀杆内，将螺钉装入在刀杆上的螺纹孔内并将成型刀头压紧；

3)根据待加工轴向内球面槽的轴向长度，调整步骤2)组装成型的刀具伸出机床刀座的长度并压紧，确保步骤2)组装成型的刀具的成型刀头的径向进给方向与机床径向进给方向重合；

4)采用步骤2)组装成型的刀具分别沿轴向和径向进行对刀；

5)使用步骤2)组装成型的刀具，利用数控机床的编程指令，完成一个闭环式切削循环；所述闭环式切削循环包括径向E到A段、轴向A到B段、径向B到C段、径向C到D段以及轴向D到E段；所述A、B、C、D以及E分别为待切削轴向内球面槽的不同位置；其中：E是刀具起始位置；A是刀具切削位置；B是轴向切削到达位置；C是球面槽切削到达位置；D是刀具径向退出位置；所述径向E到A段使用编程指令G00实现快速进刀；所述轴向A到B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工；所述径向B到C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工；所述径向C到D段使用编程指令G01实现慢速退刀；所述轴向D到E段使用编程指令G00实现快速退刀；

6)每次径向进给0.1mm，重复步骤5)直至完成设计要求的满足尺寸的轴向内球面槽的切削。

上述步骤3)中步骤2)组装成型的刀具伸出机床刀座的长度大于轴向内球面槽的长度10至15mm。

上述待加工的轴向内球面槽是一个或多个，所述待加工的轴向内球面槽是多个时，所述加工工艺在步骤6)之后还包括：

7)旋转主轴至设计要求的待加工的轴向内球面槽的位置，固定机床主轴不旋转，重复步骤5)以及步骤6)，直至完成设计要求的满足尺寸的轴向内球面槽的切削。

上述多个待加工的轴向内球面槽均布时，所述步骤7)的具体实现方式是：利用车削中心的主轴分度功能，通过数控编程指令将主轴分别沿顺时针或逆时针旋转固定角度，待主轴旋转定向后，确保机床主轴固定不旋转，再重复步骤5)和步骤6)，完成剩余的轴向内球面槽的加工。

本发明的优点是：

本发明提供了一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具及加工工艺，运用插削加工原理，通过数控机床的编程技术，利用车削中心的主轴分度功能，实现轴向均布内球面槽的加工，克服了传统插床的加工性能不足，和专用机床附件角度动力头与设备匹配通用性较差的局限性，具体而言，本发明具有如下有益效果：

1)此项技术可以运用到更多种类轴向型槽的加工，目前，此项技术可节省购买价值20万人民币的专用机床附件费用；

2)该项加工轴向均布内球面槽的刀具和工艺方法不受车削中心设备类型的限制，通用性较强，解决了该类型零件长期以来困扰生产交付的难题，每月交付的各类插槽零件从原来的100件提高到现在的2000多件，加工效率极大地得到了提高，圆满的满足了客户对质量和生产进度要求；

3)此项工艺技术还可广泛应用于航空、航天、船舶、汽车以及其他非航领域的衬套、壳体等零件轴向均布内型槽的生产中，促进科技工业发展具有重大的社会、经济效益。

附图说明

图1是需要在内孔表面开设内球面槽的零件的结构示意图；

图2是本发明所提供的用于加工轴向均布内球面槽的刀具的结构示意图；

图3是本发明所采用的成型刀头的结构示意图；

图4是本发明所采用的刀杆的结构示意图；

图5是本发明所采用的加工循环轨迹示意图；

图6是本发明所采用的另一加工循环轨迹示意图；

其中：

1-成型刀头；11-切削部件；111-切削刃；12-装夹部件；121-圆柱杆；122-定向平面；2-刀杆；21-圆柱孔；22-螺纹孔；23-装夹定向平面；24-刀杆本体；3-螺钉。

具体实施方式

参见图2、图3以及图4，本发明提供了一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具，包括成型刀头1、刀杆2以及螺钉3；刀杆2上设置有圆柱孔21以及螺纹孔22；成型刀头1设置在刀杆2的圆柱孔21中；螺钉3设置在刀杆2的螺纹孔22中并挤压在成型刀头1上；成型刀头1伸出刀杆2的长度是待加工球面槽的圆球半径的1.5-2倍；成型刀头1伸出刀杆2的部分整体呈鱼鳍状；成型刀头1伸出刀杆2的部分的截面呈字母n型。

成型刀头1包括切削部件11以及与切削部件11相连的装夹部件12；切削部件11包括切削刃111；切削部件11整体呈鱼鳍状；切削刃111的截面呈字母n型且与待切削的轴向内球面槽的球面外形及尺寸相匹配；装夹部件12设置在刀杆2的圆柱孔21中并通过螺钉3固定。

装夹部件12包括圆柱杆121以及设置在圆柱杆121上的定向平面122；圆柱杆121设置在刀杆2的圆柱孔21中；螺钉3挤压在定向平面122上；定向平面122与待切削零件的切削平面平行。

刀杆2包括刀杆本体24以及设置在刀杆本体24的装夹定向平面23；圆柱孔21以及螺纹孔22分别设在刀杆本体24上。

本发明所涉及的专用成型刀具，如图2所示，包括成型刀头1，刀杆2，螺钉3。

其中：

成型刀头1：如图3所示，为整体式结构，包括切削部件11和装夹部件12，其中切削部件11中的切削刃111是按照内球面槽的球面半径尺寸进行设计和制造，装夹部件12包括用于定心的圆柱杆121和用于定向和压紧的定向平面122两部分构成，其中该定向平面122与切削平面平行。

刀杆2：如图4所示，为整体式结构，包括圆柱孔21，螺纹孔22和刀杆本体，其中圆柱孔21用于装入专用成型刀头1，螺纹孔22用于安装螺钉3，刀杆本体包括用于定心的圆柱杆和用于定向和压紧的平面两部分构成，其中该平面与圆柱孔I轴线和螺纹孔II轴线形成的平面平行。

螺钉3：用于将成型刀头1定位夹紧在刀杆2上。

一种使用上述刀具进行加工轴向均布内球面槽的方法，包括如下步骤：

步骤1：将零件夹持在车床主轴卡盘的软三爪上，通过数控编程指令将主轴定向为0°，机床主轴固定不旋转。

步骤2：如图4所示，将成型刀头1的圆柱杆121装入刀杆2的圆柱孔21内，将成型刀头1用于定向和压紧的小平面正向对着刀杆2上的螺纹孔22，调整成型刀头1保证切削刃111伸出刀杆2的长度为1.5-2倍的球面槽的圆球半径；使用内六方扳手将螺钉3装入在刀杆2的螺纹孔22内，压紧在成型刀头1的定向平面122上。

步骤3：根据加工轴向均布内球面槽的轴向长度，调整好专用成型刀具伸出机床刀座的长度，一般为大于轴向均布内球面槽的长度10至15mm，通过机床刀座的螺钉，压紧专用成型刀具上刀杆的安装平面，确保专用成型刀头的径向进给方向与机床径向进给方向重合。

步骤4：专用成型刀具分别沿轴向和径向进行对刀。

步骤5：如图5以及图6所示，运用插削加工原理，使用专用成型刀具，利用数控机床的编程指令，完成一个闭环式切削循环；参见图5以及图6，闭环式切削循环包括径向E到A段、轴向A到B段、径向B到C段、径向C到D段以及轴向D到E段；A、B、C、D以及E分别为待切削轴向内球面槽的不同位置；其中：E是刀具起始位置；A是刀具切削位置；B是轴向切削到达位置；C是球面槽切削到达位置；D是刀具径向退出位置；径向E到A段使用编程指令G00实现快速进刀；轴向A到B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工；径向B到C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工；径向C到D段使用编程指令G01实现慢速退刀；轴向D到E段使用编程指令G00实现快速退刀；

步骤6：每次径向进给0.1mm，重复步骤5直至满足尺寸要求即可。

步骤7：利用车削中心的主轴分度功能，通过数控编程指令将主轴分别沿顺时针旋转90°、180°、270°，每次主轴旋转定向后，机床主轴固定不旋转，再重复步骤5和步骤6，完成剩余3处轴向内球面槽的加工。

实施实例1：

如图1所示，某零件内孔表面需加工的4处轴向均布内球面槽，该槽横截面为圆弧形状，沿轴向长度方向未完全贯通，且未贯通处为球面形状。一种利用本发明加工该类型轴向均布内球面槽的方法，包括如下步骤：

步骤1：将零件夹持在车床主轴卡盘的软三爪上，通过数控编程指令将主轴定向为0°，机床主轴固定不旋转。

步骤2：如图3所示，将成型刀头的圆柱杆部分装入刀杆的圆柱孔内，将成型刀头1的定向平面正向对着刀杆上的螺纹孔，调整成型刀头的切削刃伸出刀杆的长度为1.5-2倍的球面槽的圆球半径；使用内六方扳手将螺钉装入在刀杆的螺纹孔内，压紧在成型刀头的定向平面上。

步骤3：根据加工轴向均布内球面槽的轴向长度，调整好专用成型刀具伸出机床刀座的长度，使其大于轴向均布内球面槽的长度10至15mm，通过机床刀座的螺钉，压紧专用成型刀具上刀杆的安装平面，确保专用成型刀头的径向进给方向与机床径向进给方向重合。

步骤4：专用成型刀具分别沿轴向和径向进行对刀。

步骤5：如图5所示，编制数控程序并进行加工。其中在E-A段使用编程指令G00实现快速进刀，在A-B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工，在B-C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工，在C-D段使用编程指令G01实现慢速退刀，在D-E段使用编程指令G00实现快速退刀。

步骤6：每次径向进给0.1mm，重复步骤5直至满足尺寸要求即可。

步骤7：通过数控编程指令将主轴分别沿顺时针旋转90°、180°、270°，每次主轴旋转定向后，机床主轴固定不旋转，再重复步骤5和步骤6，完成剩余3处轴向内球面槽的加工。

实施实例2：

某零件内孔表面需加工的8处轴向均布内球面槽，该槽横截面为圆弧形状，沿轴向长度方向的两个方向均未完全贯通，且未贯通处为球面形状。一种利用本发明加工该类型轴向均布内球面槽的方法，包括如下步骤：

步骤1：将零件夹持在车床主轴卡盘的软三爪上，通过数控编程指令将主轴定向为0°，机床主轴固定不旋转。

步骤2：准备1把正向成型刀头，准备1把反向成型刀头；其中正向成型刀头与反向成型刀头其设计基本相同，唯一区别在于两者用于定向和压紧的小平面在轴向相差180°。

步骤3：将正向成型刀头的圆柱杆部分装入刀杆的圆柱孔内，将正向成型刀头的定向平面正向对着刀杆上的螺纹孔，调整正向成型刀头的切削刃伸出刀杆的长度为1.5-2倍的球面槽的圆球半径；使用内六方扳手将螺钉装入在刀杆的螺纹孔内，压紧在正向成型刀头的定向平面上。

步骤4：将反向成型刀头的圆柱杆部分装入刀杆的圆柱孔内，将反向成型刀头的小平面正向对着刀杆上的螺纹孔，调整反向成型刀头的切削刃伸出刀杆的长度为1.5-2倍的球面槽的圆球半径；使用内六方扳手将螺钉装入在刀杆的螺纹孔内，压紧在反向成型刀头的定向平面上。

步骤5：根据加工轴向均布内球面槽的轴向长度，分别调整好正向和反向专用成型刀具伸出机床刀座的长度，一般为大于轴向均布内球面槽的长度10至15mm，通过机床刀座的螺钉，压紧专用成型刀具上刀杆的安装平面，确保专用成型刀头的径向进给方向与机床径向进给方向重合。

步骤6：正向专用成型刀具和反向专用成型刀具分别沿轴向和径向进行对刀。

步骤7：按照如图5所示加工循环轨迹示意图，使用正向专用成型刀具，运用插削加工原理，利用数控机床的编程指令，以内环形槽中心位置为起刀点，完成一个切削循环。其中在E-A段使用编程指令G00实现快速进刀，在A-B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工，在B-C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工，在C-D段使用编程指令G01实现慢速退刀，在D-E段使用编程指令G00实现快速退刀。

步骤8：每次径向进给0.1mm，重复步骤7直至满足尺寸要求即可。

步骤9：按照如图6所示加工循环轨迹示意图，使用正向专用成型刀具，运用插削加工原理，利用数控机床的编程指令，以内环形槽中心位置为起刀点，完成一个切削循环。其中在E-A段使用编程指令G00实现快速进刀，在A-B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工，在B-C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工，在C-D段使用编程指令G01实现慢速退刀，在D-E段使用编程指令G00实现快速退刀。

步骤10：每次径向进给0.1mm，重复步骤7直至满足尺寸要求即可。

步骤11：通过数控编程指令将主轴分别沿顺时针旋转45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，每次主轴旋转定向后，机床主轴固定不旋转，再重复步骤7、步骤8、步骤9、步骤10，完成剩余7处轴向均布内球面槽的加工。

Claims (8)

1.一种用于加工轴向均布内球面槽的刀具，其特征在于：所述用于加工轴向均布内球面槽的刀具包括成型刀头(1)、刀杆(2)以及螺钉(3)；所述刀杆(2)上设置有圆柱孔(21)以及螺纹孔(22)；所述成型刀头(1)设置在刀杆(2)的圆柱孔(21)中；所述螺钉(3)设置在刀杆(2)的螺纹孔(22)中并挤压在成型刀头(1)上；所述成型刀头(1)伸出刀杆(2)的长度是待加工球面槽的圆球半径的1.5-2倍；所述成型刀头(1)伸出刀杆(2)的部分整体呈鱼鳍状；所述成型刀头(1)伸出刀杆(2)的部分的截面呈字母n型。

2.根据权利要求1所述的加工轴向均布内球面槽的刀具，其特征在于：所述成型刀头(1)包括切削部件(11)以及与切削部件(11)相连的装夹部件(12)；所述切削部件(11)包括切削刃(111)；所述切削部件(11)整体呈鱼鳍状；所述切削刃(111)的截面呈字母n型且与待切削的轴向内球面槽的球面外形及尺寸相匹配；所述装夹部件(12)设置在刀杆(2)的圆柱孔(21)中并通过螺钉(3)固定。

3.根据权利要求2所述的加工轴向均布内球面槽的刀具，其特征在于：所述装夹部件(12)包括圆柱杆(121)以及设置在圆柱杆(121)上的定向平面(122)；所述圆柱杆(121)设置在刀杆(2)的圆柱孔(21)中；所述螺钉(3)挤压在定向平面(122)上；所述定向平面(122)与待切削零件的切削平面平行。

4.根据权利要求3所述的加工轴向均布内球面槽的刀具，其特征在于：所述刀杆(2)包括刀杆本体(24)以及设置在刀杆本体(24)的装夹定向平面(23)；所述圆柱孔(21)以及螺纹孔(22)分别设在刀杆本体(24)上。

5.一种基于如权利要求4所述的加工轴向均布内球面槽的刀具对轴向内球面槽的加工工艺，其特征在于：所述工艺包括以下步骤：

1)将待加工的零件夹持在车床主轴卡盘的软三爪上，通过数控编程指令将主轴定向为0°，机床主轴固定不旋转；

2)将成型刀头(1)装入刀杆(2)内，将螺钉(3)装入在刀杆(2)上的螺纹孔(22)内并将成型刀头(1)压紧；

3)根据待加工轴向内球面槽的轴向长度，调整步骤2)组装成型的刀具伸出机床刀座的长度并压紧，确保步骤2)组装成型的刀具的成型刀头(1)的径向进给方向与机床径向进给方向重合；

4)采用步骤2)组装成型的刀具分别沿轴向和径向进行对刀；

5)使用步骤2)组装成型的刀具，利用数控机床的编程指令，完成一个闭环式切削循环；所述闭环式切削循环包括径向E到A段、轴向A到B段、径向B到C段、径向C到D段以及轴向D到E段；所述A、B、C、D以及E分别为待切削轴向内球面槽的不同位置；其中：E是刀具起始位置；A是刀具切削位置；B是轴向切削到达位置；C是球面槽切削到达位置；D是刀具径向退出位置；所述径向E到A段使用编程指令G00实现快速进刀；所述轴向A到B段使用编程指令G01实现圆弧直槽加工；所述径向B到C段使用编程指令G03实现未贯通球面槽加工；所述径向C到D段使用编程指令G01实现慢速退刀；所述轴向D到E段使用编程指令G00实现快速退刀；

6)每次径向进给0.1mm，重复步骤5)直至完成设计要求的满足尺寸的轴向内球面槽的切削。

6.根据权利要求5所述的加工工艺，其特征在于：所述步骤3)中步骤2)组装成型的刀具伸出机床刀座的长度大于轴向内球面槽的长度10至15mm。

7.根据权利要求5或6所述的加工工艺，其特征在于：所述待加工的轴向内球面槽是一个或多个，所述待加工的轴向内球面槽是多个时，所述加工工艺在步骤6)之后还包括：

7)旋转主轴至设计要求的待加工的轴向内球面槽的位置，固定机床主轴不旋转，重复步骤5)以及步骤6)，直至完成设计要求的满足尺寸的轴向内球面槽的切削。

8.根据权利要求7所述的加工工艺，其特征在于：所述多个待加工的轴向内球面槽均布时，所述步骤7)的具体实现方式是：利用车削中心的主轴分度功能，通过数控编程指令将主轴分别沿顺时针或逆时针旋转固定角度，待主轴旋转定向后，确保机床主轴固定不旋转，再重复步骤5)和步骤6)，完成剩余的轴向内球面槽的加工。