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CN110216425B - 一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法 - Google Patents

一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法 Download PDF

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CN110216425B CN201910525349.XA CN201910525349A CN110216425B CN 110216425 B CN110216425 B CN 110216425B CN 201910525349 A CN201910525349 A CN 201910525349A CN 110216425 B CN110216425 B CN 110216425B
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    • B23P15/00Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass

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Abstract

本发明公开了一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法;本发明以变槽宽螺纹的几何形状为基础,建立了大尺寸油管与单齿刀具间的运动路径的补偿,并同时完成内螺纹的粗加工及精加工,同时提高了对变槽宽螺纹的加工效率。

Description

一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法
技术领域:
本发明涉及机加工领域,特别是涉及一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法。
背景技术:
油管或者气管的变槽宽螺纹连接不仅需要紧密连接螺纹,具有较高的强度,还需要具有较高的密封性能,这对变槽宽螺纹加工精度提出了较高的要求。目前,车削加工作为一种高效加工螺纹的有效方法,但是由于2由于油管的长度较大,超过15米,直径较大,超过0.5米,在现有的加工工艺中,均为采用梳齿刀进行车削加工,但是需要机床夹紧大尺寸油管螺纹旋转进行车削加工,导致了机床的运动链传递及配重比发生变化,造成加工误差,约束了加工精度。本发明提供了一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,以变槽宽螺纹的几何形状为基础,建立了大尺寸油管与单齿刀具间的运动路径的补偿,并同时完成内螺纹的粗加工及精加工。本发明可有效降低加工刀具成本及提高加工效率。
发明内容:
本发明公开了一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法;本发明以变槽宽螺纹的几何形状为基础,建立了大尺寸油管与单齿刀具间的运动路径的补偿,并同时完成内螺纹的粗加工及精加工。
为解决上述问题,本发明的技术方案是:
一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,包括如下步骤;
步骤一、获得装卡工件前刀具与工件的预设相对位置;在机床的工作台和刀具中心分别安装一个非接触式传感器,检测得到装卡工件后刀具与工件的实际相对位置;
步骤二、获得装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差;通过机床的控制程序对装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差进行补偿;
步骤三、变槽宽螺纹尺寸的处理:在给定的变槽宽螺纹中,根据变槽宽螺纹设计参数,获得变槽宽螺纹最小宽度b1,最大宽度b2,变槽宽螺纹的最小深度h1,最大深度h2,获得变槽宽螺纹长度l0;则距离螺纹初始端的距离为x处螺纹的宽度b(x)及深度h(x)分别为:
Figure GDA0002485838710000011
Figure GDA0002485838710000012
步骤四、确定加工变槽宽螺纹的刀具参数:采用单齿刀具开展车铣复合加工:机床夹具夹紧工件,刀具在机床控制系统的控制下,沿着变槽宽螺纹路径运动,为车削加工运动,且刀具在机床电主轴作用下,开展自旋运动,为铣削加工运动;刀具为盘铣刀;盘铣刀进行车铣复合加工,其中盘铣刀中用于加工部分的最大宽度为变槽宽螺纹的最小宽度b1,盘铣刀中用于加工部分的最小深度为变槽宽螺纹的最大深度h2;即刀片的主切削刃长度为b1,副切削刃的长度为h2,从而加工一次完成变槽宽螺纹深度的加工,实现螺纹的粗加工与精加工;
步骤五、变槽宽螺纹加工运动路径的控制:由于在变槽宽螺纹加工中,刀片的宽度设定为变槽宽螺纹的最小宽度b1,剩下部分的宽度的螺纹需要继续加工,因此进行优化加工路径:
第一道工序:盘铣刀在机床控制系统的控制下,以宽度b1沿着螺纹曲线进行加工,完成螺纹宽度b1的加工,螺纹的深度按照螺纹深度曲线的变化在机床控制系统控制切削深度实现;
第二道工序:计算剩下的螺纹需要加工的最大宽度b3
1)若b3低于b1,则在机床控制系统的作用下,控制切削宽度随着螺纹路径按照以下规律变化:
Figure GDA0002485838710000021
同样,切削深度控制按照第一道工序中深度的控制,完成变槽宽螺纹的加工;
2)若b3大于b1,则计算在加工路径l1处时,螺纹剩下切削宽度为b1,大于路径l1处,螺纹剩下切削宽度均小于b1,则在机床控制系统的作用下,以螺纹最宽处为0点,在螺纹路径0-l1处均按照切削宽度b1进行加工,路径l1处至螺纹初始端的切削宽度按照以下规律变化:
Figure GDA0002485838710000022
切削深度按照控制按照第一道工序中深度的控制进行变槽宽螺纹的加工;
第三道工序:分析螺纹路径0-l1处,若螺纹的最大剩下加工宽度低于b1,则使用第二道工序1)完成螺纹的加工;若螺纹的最大剩下加工宽度大于b1,则使用第二道工序2)进行加工;
重复步骤1)、2)和第三道工序至完成变槽宽螺纹的加工。
进一步的改进,所述工件为油管或者气管。
进一步的改进,所述盘铣刀上的刀片切削刃的圆弧半径为0.3mm。
进一步的改进,装卡工件前刀具与工件的预设相对位置通过机床自身的控制系统得到。
进一步的改进,所述步骤二包括如下步骤:建立坐标系o-x-y-z,在通用坐标系下,测试获得不同条件下刀具与工件的实际位置,即机床工作台上,以竖直方向为z方向,刀具切削进给运动为y方向,刀具切削深度方向为x方向,设机床夹持工件后,在x方向位移误差为ξx,y方向位移误差为ξy,z方向位移误差为ξz,在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差为ζxz,用于夹紧工件的卡盘的转动角度误差为ζxzd
在机床误差的识别中,理想刀具与工件相对位置P't-P'w的x,y,z方向位置及角度分别为:Δx'w-t,Δy'w-t,Δz'w-t,θ'yz;P′t表示在通用坐标系o-x-y-z下刀具参考点在未安装工件的位置,Pw′表示在通用坐标系o-x-y-z下工件参考点在未安装工件的位置;实际刀具与工件相对位置Pt-Pw的x,y,z方向位置及角度分别为:Δxw-t,Δyw-t,Δzw-t,θyz,Pt表示在通用坐标系o-x-y-z下刀具参考点在安装工件后的位置,Pw表示在通用坐标系o-x-y-z下工件参考点在安装工件后的位置;装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差分别为:
ξx=Δx'w-t-Δxw-t
ξy=Δy'w-t-Δyw-t
ξz=Δz'w-t-Δzw-t
ζyz=θ'yzyz (1)
通过机床内部对刀具调整补偿误差ξx,ξy,ξz,及在原有的控制运动基础上增加以上的位移误差及角度误差ζxz进行运动补偿。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为在通用坐标系中刀具与工件相对位置在改装前后位移及角度误差模型示意图;
图2为变槽宽螺纹示意图;
图3为盘铣刀的刀片结构示意图。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细描述,应当理解,此处所描述的实施方式用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
(1)此机床改装后及在装载大尺寸油管后,改变了机床配重比及传动链响应,其对机床的及静态误差及加工运动误差均有较大影响。此加工中心在改装前,其装配、静态等误差均已测试并通过内部程序补偿,在其基础上获得改装后刀具与工件的实际相对位置Pt-Pw与预设相对位置Pt'-Pw'的位置及角度误差。刀具与工件的预设相对位置可通过测量改装前刀具与工件的相对位置获得,改装后的刀具与工件的实际相对位置可以通过测量改装后刀具与工件的相对位置获得,通过刀具与工件之间的实际位置由非接触式的一对传感器检测,一个传感器布置在工作台上,另一个传感器布置在刀具中心,用于检测工件与刀具中心的相对位置。如图1所示。
首先机床误差的定义,设x方向位移误差为ξx,y方向位移误差为ξy,z方向位移误差为ξz,在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差为ζxz,用于夹紧大尺寸油管的卡盘的转动角度误差为ζxzd
在机床误差的识别中,理想刀具与工件相对位置Pt'-Pw'的x,y,z方向位置及角度分别为:Δx'w-t,Δy'w-t,Δz'w-t,θ'yz。实际刀具与工件相对位置Pt-Pw的x,y,z方向位置及角度分别为:Δxw-t,Δyw-t,Δzw-t,θyz。则装卡大尺寸油管前后刀具与工件的相对位置及角度误差分别为:
Figure GDA0002485838710000041
此部分造成的误差通过机床内部对刀调整进行补偿,及在原有的控制运动基础上增加以上的位移及角度误差。
(2)变槽宽螺纹尺寸的处理。在给定的变槽宽螺纹中,根据设计参数,可以获得变槽宽螺纹最小宽度b1,最大宽度b2,变槽宽螺纹的最小深度h1,最大深度h2,具体螺纹示意图如图2所示。为了保证螺纹连接安装紧密可靠安装,变槽宽螺纹的螺纹深度及宽度变化均为线性变化,其随着螺纹的长度(螺纹距离)为螺纹初始端到螺纹结束端沿着螺纹螺栓环绕油管的距离。根据变槽宽螺纹设计参数,可以获得变槽宽螺纹长度l0。则距离螺纹初始端的距离为x处螺纹的宽度b(x)及深度h(x)分别为:
Figure GDA0002485838710000051
Figure GDA0002485838710000052
(3)加工变槽宽螺纹的刀具参数。在变槽宽螺纹的加工中,由于传统变槽宽螺纹的加工方法为采用梳齿刀进行车削加工,其难以准确精密加工并圆滑过渡变槽宽螺纹的宽度及深度。其次,由于油管长度较长,难以实现将夹具夹紧油管长度中间位置,这造成了机床夹持大尺寸油管旋转造成加工中工件的偏心运动,降低了油管的加工精度。采用单齿刀具开展车铣复合加工以解决以上难题,具体如下:机床夹具夹紧大尺寸油管,刀具在机床控制系统的控制下,沿着变槽宽螺纹路径运动,为车削加工运动,且刀具在机床电主轴作用下,开展自旋运动,为铣削加工运动。采用盘铣刀进行车铣复合加工,其中盘铣刀中用于加工部分最大宽度为变槽宽螺纹的最小宽度b1,盘铣刀中用于加工部分最小深度为变槽宽螺纹的最大深度h2。同时安装在盘铣刀盘上的刀片切削刃的圆弧半径为0.3mm,这是由于在不同变槽宽螺纹的加工中,螺纹的深度发生变化,切削刃的过渡半径若小,则会过渡切屑刃容易崩刃,若大,则难以满足螺纹底面与侧面的圆滑过渡。设置盘铣刀刀片的主切削刃长度为b1,副切削刃的长度为h2,这可以在加工一次完成变槽款螺纹深度的加工,实现螺纹的粗加工与精加工,提高加工效率,而副切削刃长度的设置,则满足了最小宽度的变槽宽加工的要求。
(4)变槽宽螺纹加工运动路径的控制。由于在变槽宽螺纹加工中,刀片的宽度设定为变槽宽螺纹的最小宽度b1,剩下部分的宽度的螺纹需要继续加工,本发明提供的优化加工路径是:
第一道工序:盘铣刀在机床控制系统的控制下,以宽度b1沿着螺纹曲线进行加工,这完成了螺纹宽度b1的加工,螺纹的深度按照(2)中变化在机床控制系统控制切削深度实现。
第二道工序:在第一道工序完成后,计算剩下的螺纹需要加工的最大宽度b3
1.若最大宽度低于b1,则在机床控制系统的作用下,控制切削宽度随着螺纹路径按照以下规律变化:
Figure GDA0002485838710000053
同样,切削深度控制按照第一道工序中深度的控制,完成变槽宽螺纹的加工。
2.若最大宽度大于b1,则计算在加工路径l1处时,螺纹剩下切削宽度为b1,大于路径l1处,螺纹剩下切削宽度均小于b1,则在机床控制系统的作用下,在螺纹路径0-l1处均按照切削宽度b1进行加工,路径l1处至螺纹末端的切削宽度按照以下规律变化:
Figure GDA0002485838710000061
切削深度按照控制按照第一道工序中深度的控制进行变槽宽螺纹的加工。
3.分析螺纹路径0-l1处,若螺纹的最大剩下加工宽度低于b1,则惨遭第二道工序1完成螺纹的加工;若螺纹的最大剩下加工宽度大于b1,则参考第二步2进行加工,再依据剩下螺纹的加工宽度与b1关系,参考3进行螺纹加工。
按照以上工序的主要是为了避免加工工件运动及刀具的往复运动,造成加工误差,提高加工精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,其特征在于,包括如下步骤;
步骤一、获得装卡工件前刀具与工件的预设相对位置;在机床的工作台和刀具中心分别安装一个非接触式传感器,检测得到装卡工件后刀具与工件的实际相对位置;
步骤二、获得装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差;通过机床的控制程序对装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差进行补偿;
步骤三、变槽宽螺纹尺寸的处理:变槽宽螺纹的螺纹深度及宽度变化均为线性变化,在给定的变槽宽螺纹中,根据变槽宽螺纹设计参数,获得变槽宽螺纹最小宽度b1,最大宽度b2,变槽宽螺纹的最小深度h1,最大深度h2,获得变槽宽螺纹长度l0;则距离螺纹初始端的距离为x处螺纹的宽度b(x)及深度h(x)分别为:
Figure FDA0002485838700000011
Figure FDA0002485838700000012
步骤四、确定加工变槽宽螺纹的刀具参数:采用单齿刀具开展车铣复合加工:机床夹具夹紧工件,刀具在机床控制系统的控制下,沿着变槽宽螺纹路径运动,为车削加工运动,且刀具在机床电主轴作用下,开展自旋运动,为铣削加工运动;刀具为盘铣刀;盘铣刀进行车铣复合加工,其中盘铣刀中用于加工部分的最大宽度为变槽宽螺纹的最小宽度b1,盘铣刀中用于加工部分的最小深度为变槽宽螺纹的最大深度h2;即刀片的主切削刃长度为b1,副切削刃的长度为h2,从而加工一次完成变槽宽螺纹深度的加工,实现螺纹的粗加工与精加工;
步骤五、变槽宽螺纹加工运动路径的控制:由于在变槽宽螺纹加工中,刀片的宽度设定为变槽宽螺纹的最小宽度b1,剩下部分的宽度的螺纹需要继续加工,因此进行优化加工路径:
第一道工序:盘铣刀在机床控制系统的控制下,以宽度b1沿着螺纹曲线进行加工,完成螺纹宽度b1的加工,螺纹的深度按照螺纹深度曲线的变化在机床控制系统控制切削深度实现;
第二道工序:计算剩下的螺纹需要加工的最大宽度b3
1)若b3低于b1,则在机床控制系统的作用下,控制切削宽度随着螺纹路径按照以下规律变化:
Figure FDA0002485838700000021
同样,切削深度控制按照第一道工序中深度的控制,完成变槽宽螺纹的加工;
2)若b3大于b1,则计算在加工路径l1处时,螺纹剩下切削宽度为b1,大于路径l1处,螺纹剩下切削宽度均小于b1,则在机床控制系统的作用下,以螺纹最宽处为0点,在螺纹路径0-l1处均按照切削宽度b1进行加工,路径l1处至螺纹初始端的切削宽度按照以下规律变化:
Figure FDA0002485838700000022
l1≤x1≤l0,切削深度控制按照第一道工序中深度的控制进行变槽宽螺纹的加工;
第三道工序:分析螺纹路径0-l1处,若螺纹的最大剩下加工宽度低于b1,则使用第二道工序1)完成螺纹的加工;若螺纹的最大剩下加工宽度大于b1,则使用第二道工序2)进行加工;
重复步骤1)、2)和第三道工序至完成变槽宽螺纹的加工。
2.如权利要求1所述的单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,其特征在于,所述工件为油管或者气管。
3.如权利要求1所述的单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,其特征在于,所述盘铣刀上的刀片切削刃的圆弧半径为0.3mm。
4.如权利要求1所述的单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,其特征在于,装卡工件前刀具与工件的预设相对位置通过机床自身的控制系统得到。
5.如权利要求1所述的单齿精密加工变槽宽螺纹的加工方法,其特征在于,所述步骤二包括如下步骤:建立坐标系o-x-y-z,在通用坐标系下,测试获得不同条件下刀具与工件的实际位置,即机床工作台上,以竖直方向为z方向,刀具切削进给运动为y方向,刀具切削深度方向为x方向,设机床夹持工件后,在x方向位移误差为ξx,y方向位移误差为ξy,z方向位移误差为ξz,在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差为ζxz,用于夹紧工件的卡盘的转动角度误差为ζxzd
在机床误差的识别中,理想刀具与工件相对位置P′t-P′w的x,y,z方向位置及角度分别为:Δx′w-t,Δy′w-t,Δz′w-t,θ′yz;P′t表示在通用坐标系o-x-y-z下刀具参考点在未安装工件的位置,P′w表示在通用坐标系o-x-y-z下工件参考点在未安装工件的位置;实际刀具与工件相对位置Pt-Pw的x,y,z方向位置及角度分别为:Δxw-t,Δyw-t,Δzw-t,θyz,Pt表示在通用坐标系o-x-y-z下刀具参考点在安装工件后的位置,Pw表示在通用坐标系o-x-y-z下工件参考点在安装工件后的位置;装卡工件前后刀具与工件的相对位置及角度误差分别为:
ξx=Δx′w-t-Δxw-t
ξy=Δy′w-t-Δyw-t
ξz=Δz′w-t-Δzw-t
ζyz=θ′yzyz (1)
通过机床内部对刀具调整补偿误差ξx,ξy,ξz,及在原有的控制运动基础上增加以上的位移误差及角度误差ζxz进行运动补偿。
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