基于机床的B轴单点车削自由曲面的加工方法与流程

本发明涉及复杂零件精密加工技术领域，具体而言涉及一种免微调对刀装置的b轴单点加工方法。

背景技术：

具有复杂型面的各类元器件的制造精度越来越高。常用的精密数控车床通常包括主轴和2个水平直线轴x和z，随着工件的复杂曲面及其形貌精度要求的提高，或者被加工零件的表面斜率加大时，两轴或三轴机床已无法通过传统切削方式达到加工要求，此时通常需要引入b轴以应对诸如此类的复杂面形。通过旋转b轴使得刀具切削刃角度增大，保证切削点一直位于切削刃口上；通过旋转b轴，可以实现刀具的单点切削加工，避免了刀具刃口波纹度引入的误差影响，表面成形质量及面形精度均得到了大幅度的提升；并且在实际加工生产中，单点切削对刀具的利用率普遍较高，可通过选定刀具不同位置进行单点切削以实现刀具的高效利用，无需因刀具刃口局部区域磨损而修磨整个切削刃。

在超精密加工中，为了实现复杂零件的金刚石单点切削加工，通常利用b轴带动刀具旋转，以保证加工过程中刀具刃口上的切削点恒定不变，此时如果刀鼻圆弧中心未和b轴旋转轴心重合，在旋转一定角度后，必然引入机床x轴及z轴方向偏移，如不准确对刀，势必会影响被加工工件面形精度。传统解决方法是引入一套复杂且造价高昂的微调对刀装置，使得刀鼻圆弧中心与b轴旋转轴心重合。传统方法利用的相对位置测量方式要求刀具在初始位置时与b轴回转轴心偏移量不能过大，应用场合受到很大限制，且该方法整体工序繁琐，对调整设备精度要求较高。因此，很有必要发展一套测量方式灵活，不需要微调对刀装置的单点加工方法。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种b轴单点车削自由曲面的加工方法，所述机床提供x轴和z轴平移运动，c轴和b轴的旋转运动，其中c轴和b轴上安装有对转动角度进行控制使其绕该轴转动的编码器，所述加工方法包括：

步骤1、将刀具固定到机床b轴台面的任意位置，利用光学对刀仪得到此时刀具的刀鼻圆弧中心坐标位置；绕b轴对应逆时针和顺时针分别旋转两个不同角度得到旋转后两个位置的刀鼻圆弧中心坐标；然后利用三个圆心坐标得出刀具的刀鼻圆弧中心距机床b轴的距离r'，并选定第一个位置为参考位置，利用该点的圆弧中心坐标得到刀具的圆弧中心与b轴台面中心的连线与机床x轴正向的夹角θ'；

步骤2、利用光学对刀仪测得三个位置处的刀具圆弧中心坐标值，分别得到旋转两个不同角度前后刀具圆弧中心的相对矢量关系，并沿机床x轴、z轴方向分解，得到对应补偿量；

步骤3、旋转工件，刀具固定不动，在初始位置处以一定进给深度加工一个沟槽，测得该沟槽的深度；

步骤4、逆时针旋转b轴，使刀具转过角度，利用步骤2中得到的补偿量，驱动机床，进行x、z轴方向的补偿，旋转工件，以相同进给深度加工第二个沟槽，测得此沟槽深度；

步骤5、参照步骤4，顺时针旋转角，驱动机床进行补偿，以相同进给深度加工第三个沟槽，测得此沟槽深度；

步骤6、利用第二沟槽深度和第三个沟槽深度分别与第一个沟槽深度的差值δh1、δh2以及相应旋转角度计算得到r'、θ'的误差值，进而得到准确值r、θ；

步骤7、利用相对位置关系得到沿x、z轴的准确补偿量与b轴旋转角度之间的关系；

步骤8、进行自由曲面进行离散，得到一组离散点，以各离散点作为加工点处，利用曲面法向量得到加工自由曲面的未补偿刀具路径及b轴旋转角度，利用步骤7得到的关系式计算得出补偿量，得到补偿后的刀具路径，即单点切削加工刀具圆弧中心位置。

由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的加工方法的显著优点在于：

1)同时利用光学对刀仪和沟壑法，在刀具偏心严重的情况下也可以测量离轴参数；

2)通过b轴单点切削可以得到优良的表面成形质量、面形精度以及刀具利用率；

3)本发明的方法不同于传统b轴单点切削方式中需要保证刃口中心与b轴完全重合的复杂对刀问题，本发明在b轴加工实施过程中省略了刃口中心与b轴完全重合的调整环节，简化了工序，在实际生产中应用场合更广。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的实施例所使用的超精密机床的示意图。

图2是本发明示例性的实施例中测量刀具离轴参数的示意图，其中a为光学对刀仪测量所得数据，b为b轴逆时针旋转并进行补偿后的相对位置示意图，c为b轴顺时针旋转并进行补偿后的相对位置示意。

图3是离轴单点切削补偿示意图。

附图中各个标记的含义如下：

1-机床床身；2-x轴；3-z轴；4-c轴；5-b轴；6-真空吸盘；7-工件；8-金刚石刀具；9-刀架；100-光学对刀仪

10-被加工表面轮廓；11-刀具控制点轨迹；12-刀具初始点位置；13-b轴台面旋转角后刀具位置；14-b轴转动角对应实际加工点处的刀具位置。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合附图1-3所示，根据本发明的示例性的实施例的b轴单点车削自由曲面的加工方法，使用具有角度编码器的四轴超精密机床，可对b轴、c轴的旋转角度进行控制和反馈，实现复杂零件的切削加工。

将工件装夹在超精密机床主轴上，预先在工件表面进行合理离散化处理，得到一组离散点，在加工过程中刀具依次通过这些离散点，根据曲面在离散点的法向量方向旋转b轴一定角度，c轴以恒定速度转动，金刚石车刀配合b轴、c轴旋转的角度在x和z轴方向以一定规律移动，可实现自由曲面的单点切削。

其中在刀具测斜切削路径规划上，需要根据b轴转动角度进行x、z向的补偿，实现单点切削加工刀具圆弧中心位置的定位。

下面结合附图所示，具体地描述上述步骤的实现：

1)安装刀具到b轴转台任意位置，设此时刀具位置为初始位置，利用光学对刀仪得到此时刀鼻圆弧中心坐标位置，逆时针旋转顺时针旋转得到第二位置及第三位置的刀鼻圆弧中心坐标如图2(a)所示。利用三个圆心坐标计算得出刀具刀鼻圆弧中心距机床b轴的距离r'，设初始位置处刀具圆弧中心与b轴台面中心的连线与机床x轴正向的夹角为θ'，其中：

2)如图2(a)所示，刀具由于离轴摆放，在b轴旋转一定角度后，刀具圆弧中心并不重合，由光学对刀仪测得的结果可知，相对位置矢量为：

3)在初始位置处，在对刀工件上以一定进给深度加工一沟槽，测得沟槽深度为h1

4)相对初始位置逆时针旋转并按光学对刀仪测得结果沿机床x轴、z轴补偿x1、y1，如图2(b)所示，此时再在对刀工件上以相同进给深度加工一沟槽，测得此沟槽深度为h2

5)相对初始位置顺时针旋转并按光学对刀仪测得结果沿机床x轴、z轴补偿x2、y2，如图2(c)所示，此时再在对刀工件上以相同进给深度加工一沟槽，测得此沟槽深度为h3

6)利用三个不同位置处，加工得到沟槽深度差值δh1＝h2-h1、δh2＝h3-h1以及相应旋转角度计算得到相对准确离轴参数满足：

计算得到r及θ值

7)对于给定自由曲面，按一定方法将曲面离散化后，得到一组离散加工点，根据被加工曲面在第i个离散加工点的法向量确定刀具在加工该点时，为实现单点切削加工，b轴的旋转角度为γi，并设刀具刀鼻半径为r，则刀具旋转角度及补偿前刀具圆弧中心坐标为：

8)b轴旋转后，机床带动工件在机床x、z轴反向进行补偿，最终得到单点切削加工刀具圆弧中心位置为：

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。