專利名稱：三維切削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域機(jī)加工方法，特別的涉及用于光學(xué)用品模具加工的三維切削加工方法。
背景技術(shù)：
三維切削加工機(jī)是一邊改變中心轉(zhuǎn)軸工具的3維切削位置坐標(biāo)(以下稱為膠印位置)一邊進(jìn)行加工，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)想的加工面，如專利文獻(xiàn)(特開(kāi)2008-U6323號(hào)公報(bào))中有相關(guān)介紹。光學(xué)部件模具具有極高的精度要求，普通三維加工方法無(wú)法滿足精度要求。任何三維加工在對(duì)加工對(duì)象(以下簡(jiǎn)稱作業(yè))進(jìn)行加工的時(shí)候，由于作業(yè)對(duì)工具有反作用力，工具本身會(huì)發(fā)生彈性變形(以下簡(jiǎn)稱彎曲)，從而工具的膠印位置也會(huì)發(fā)生局部的變化。要修正這種由于工具的彎曲導(dǎo)致加工位置的誤差，當(dāng)前采取追加表現(xiàn)透鏡面的從常數(shù)變?yōu)槎囗?xiàng)式的修正項(xiàng)來(lái)修正工具的膠印位置的辦法。在這里，作用于工具的切削力會(huì)根據(jù)加工面的橫截面形狀而變化，工具的彎曲度也會(huì)隨之變化。而且，在加工面的橫截面形狀是包含局部性的極值的復(fù)雜形狀的情況時(shí)，不僅工具的彎曲度的絕對(duì)值會(huì)發(fā)生改變，工具的彎曲方向也會(huì)發(fā)生變化。因此，對(duì)于加工面的橫截面形狀是包含了局部性的極值的復(fù)雜形狀的這種加工對(duì)象，通過(guò)追加表現(xiàn)透鏡面的從常數(shù)變?yōu)槎囗?xiàng)式的修正項(xiàng)也不能修正由于工具彎曲導(dǎo)致的加工位置的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)工具加工過(guò)程中，工具彎曲度、彎曲程度都會(huì)隨著加工面橫截面形狀變化的情況，本發(fā)明提供一種采用更加準(zhǔn)確修正項(xiàng)對(duì)工具位置進(jìn)行修正、并且加工精度更好的三維切削加工方法?！N三維切削加工方法，根據(jù)設(shè)計(jì)好的加工軌跡由安裝在中心轉(zhuǎn)軸上的工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行加工，工具的加工位置是以中心轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)為原點(diǎn)的曲坐標(biāo)(r，Θ)，上述工具的位置坐標(biāo)在加工位移過(guò)程中設(shè)有修正項(xiàng)，該修正項(xiàng)與sin (2 Φ)成正比例，上述Φ為工具和作業(yè)加工點(diǎn)所在加工面的切線與水平面之間的夾角。上述修正項(xiàng)還包括d，即該修正項(xiàng)與d · 8 η(2Φ)成正比例，上述d為工具加工時(shí)相對(duì)作業(yè)的嵌入深度。本發(fā)明三維切削加工方法，具有如下加工步驟1)將包含加工面形狀的設(shè)計(jì)值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中；2)將工具變量輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中，上述工具變量是表示工具形狀的變量；3)將彎曲修正系數(shù)的初始值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中，將c作為彎曲修正系數(shù)，將修正量以-C · d · sin 2 Φ來(lái)表示；4)用加工控制裝置計(jì)算工具軌跡的膠印位置，并加上工具軌跡坐標(biāo)的修正量；5)根據(jù)計(jì)算出的工具軌跡的膠印位置，用工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行加工；6)測(cè)定切削加工面的形狀，和加工面形狀的設(shè)計(jì)值的比較，判斷兩個(gè)值之間的差是否在產(chǎn)品規(guī)格的容許范圍內(nèi)，如果是在容許范圍內(nèi)的就工序結(jié)束；7)如果步驟6)中比較兩個(gè)值之間的差不在容許范圍內(nèi)的，根據(jù)切削加工面形狀與加工面形狀的設(shè)計(jì)值之間的差，計(jì)算彎曲修正系數(shù)的修正值；8)將彎曲修正系數(shù)的修正值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的控制裝置中，再重新加工。本發(fā)明三維切削加工方法的好處在于，針對(duì)加工面的橫截面形狀是包含局部性的極值的復(fù)雜形狀的這種加工對(duì)象，可以通過(guò)在加工點(diǎn)、作用于該工具的背分力的矢量以及包含該轉(zhuǎn)軸的橫截面中，把Φ (順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎⒛鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù))作為加工面與水平面所成的角度，根據(jù)包含sin (2 Φ)和修正系數(shù)的積的修正項(xiàng)，對(duì)背分力導(dǎo)致水平方向的工具發(fā)生彎曲，從而發(fā)生的加工位置的誤差進(jìn)行修正，有效地減少由于工具的彎曲導(dǎo)致加工位置的誤差；本方法將d作為工具的嵌入深度，根據(jù)包含d · 8 η(2Φ)和修正系數(shù)的積的修正項(xiàng)，對(duì)上述橫截面的水平方向的工具的彎曲導(dǎo)致加工位置的誤差進(jìn)行修正，將工具的嵌入深度考慮進(jìn)修正項(xiàng)，能夠獲得更好的修正效果；本發(fā)明加工過(guò)程中按照切削加工后的形狀再次對(duì)修正系數(shù)進(jìn)行修正，因此能更高精度地進(jìn)行修正，而且本發(fā)明的三維切削加工方法工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行旋渦狀加工。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖1為本發(fā)明三維切削加工機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中工具部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為加工時(shí)對(duì)工具起切削力的說(shuō)明示意圖。圖4為加工時(shí)對(duì)工具起作用的背分力的說(shuō)明示意圖。圖5為本發(fā)明加工方法流程圖。圖6為本發(fā)明方法加工效果與現(xiàn)有技術(shù)加工效果比較示意圖。
具體實(shí)施例方式見(jiàn)圖1，本發(fā)明中三維切削加工機(jī)的工具101安裝在升降臺(tái)103上。升降臺(tái)103被安裝在可以沿Y軸方向(垂直方向)移動(dòng)的底座105上。底座105被安裝在可以沿X軸方向移動(dòng)的X軸方向移動(dòng)臺(tái)107上。另一方面，作業(yè)201由真空拉鎖等保持吸附在平臺(tái)111 上。平臺(tái)111被固定在能夠沿Z軸方向移動(dòng)的Z軸方向移動(dòng)臺(tái)109上。
在圖1顯示的三維切削加工機(jī)中，構(gòu)成了升降臺(tái)103、X軸方向移動(dòng)臺(tái)107以及Z 軸方向移動(dòng)臺(tái)109各自能沿著Y軸方向、X軸方向以及Z軸方向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。保持在Z軸方向移動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)上的作業(yè)，作為三維切削加工機(jī)的另外構(gòu)成部分，無(wú)論三維切削加工機(jī)是怎樣的結(jié)構(gòu)，都能適用于本發(fā)明。見(jiàn)圖2，安裝在升降臺(tái)103上的工具，以與Y軸平行的A軸為中心轉(zhuǎn)軸進(jìn)行切削。進(jìn)行作業(yè)201的切削加工的時(shí)候，將加工面形狀的設(shè)計(jì)值輸入進(jìn)圖示上未顯示的加工機(jī)控制裝置上，以此計(jì)算切削加工時(shí)工具軌跡的膠印位置。然后，根據(jù)計(jì)算出的軌跡的膠印位置，移動(dòng)工具進(jìn)行切削加工。但是，如上所述，工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行實(shí)際加工的時(shí)候，切削力作用于工具上，工具自身會(huì)發(fā)生彎曲，工具的膠印位置也會(huì)發(fā)生局部的變化。正因?yàn)槿绱?，為了能夠?qū)庸っ孢M(jìn)行高精度的加工，需要適當(dāng)修正由于切削力的作用導(dǎo)致工具彎曲而引起的加工位置的誤差。見(jiàn)圖3，圖3(a)是顯示包含工具轉(zhuǎn)軸以及加工點(diǎn)W的橫截面的示意圖。圖3 (b)是從與工具的轉(zhuǎn)動(dòng)面相垂直的角度觀察工具的示意圖。在加工點(diǎn)W中，作用在工具上的切削力分為主分力、背分力和送分力。主分力是工具被旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的力，是工具旋轉(zhuǎn)的圓周方向的分力。背分力是工具由于被壓附在作業(yè)上而受到的力，是于加工點(diǎn)W上沿著加工面的法線方向作用的分力。送分力是使工具朝指定的方向移動(dòng)時(shí)工具受到的分力。上述三種分力相互垂直相交。上述切削力的分力中，影響工具彎曲的是背分力。因此，接下來(lái)對(duì)背分力進(jìn)行考察。見(jiàn)圖4，虛線表示的是作業(yè)中心軸的橫截面。工具101在作業(yè)中心軸的周圍一邊做旋渦狀移動(dòng)一邊進(jìn)行切削加工。為了表現(xiàn)工具101的膠印位置，也可以使用以中心軸上的點(diǎn)為原點(diǎn)的曲坐標(biāo)(r，Θ)。這種情況下，工具101的移動(dòng)方向?yàn)棣确较?，上述的橫截面包含了 r方向。圖4顯示了工具101在作業(yè)中心軸周圍作旋渦狀移動(dòng)的時(shí)候，分別通過(guò)上述橫截面的三個(gè)地方時(shí)的工具101的橫截面。也就是說(shuō)，圖4中左側(cè)的工具位于漩渦的外側(cè)， 右側(cè)的工具位于漩渦的內(nèi)側(cè)(作業(yè)中心軸的一側(cè))。在圖4的橫截面中，工具101和工作的加工點(diǎn)所在加工面的切線和水平面所成的角度以Φ來(lái)表示。該角度以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。另外，背分力以F來(lái)表示， 嵌入深度以d來(lái)表示。背分力與切割厚度成比例。在這里，切割的厚度是指工具沿加工點(diǎn)所在的加工面的法線方向，切入作業(yè)的大小。切入深度用d · cos Φ來(lái)表示。從而，背分力FWk為常數(shù)，以F = k · d · cos Φ來(lái)表示。另外，背分力F的Z方向分力Fz以Fz = k · d · cos2 Φ來(lái)表示。這里，背分力F的Z方向分力內(nèi)是工具101的旋轉(zhuǎn)軸(Α軸)方向的力。因?yàn)楣ぞ?01旋轉(zhuǎn)方向的剛性極高，可以無(wú)視旋轉(zhuǎn)軸方向的彎曲度。背分力F的r方向分力Fr以
Fr = k · d · cos Φ · sin Φ = k · (d/2) · sin 2 Φ來(lái)表示。r的正方向就是Fr的正方向。由背分力FWr方向分力Fr引起的工具101的彎曲度與d · sin 2 Φ成比例。因而、通過(guò)將與-d· sin 2 Φ成比例的修正量加到膠印位置的坐標(biāo)上，可以修正由于工具101的彎曲引起的加
工位置的誤差。加工點(diǎn)Wl所在的加工面的切線和水平面之間的角度是Φ 1 (順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。 從而，背分力F的r方向分力Fr是正值，方向是r的正方向。要修正由于該力引起彎曲并導(dǎo)致加工位置發(fā)生的誤差，需要將與-d · sin 2Φ 1成比例的修正量(r的負(fù)方向)加到膠印位置的坐標(biāo)上。加工點(diǎn)W2所在的加工面的切線和水平面之間的角度是Φ2(逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)值)。 從而，背分力F的r方向分力Fr是負(fù)值，方向是r的負(fù)方向。要修正由于該力引起彎曲并導(dǎo)致加工位置發(fā)生的誤差，需要將與-d · sin 2Φ2成比例的修正量(r的正方向)加到膠印位置的坐標(biāo)上。加工點(diǎn)W3所在的加工面的切線和水平面之間的角度是Φ3(順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。 從而，背分力F的r方向分力Fr是正值，方向是r的正方向。要修正由于該力引起彎曲并導(dǎo)致加工位置發(fā)生的誤差，需要將與-d · sin 2Φ3成比例的修正量(r的負(fù)方向)加到膠印位置的坐標(biāo)上。如圖4顯示，加工面的橫截面是包含局部性極值的復(fù)雜形狀的時(shí)候，按照以往的辦法，不能對(duì)工具彎曲引起的加工位置的誤差進(jìn)行有效修正。而根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)，將與-d· sin 2 Φ成比例的修正量加到膠印位置的坐標(biāo)上，可以有效修正由于背分力引起彎曲并導(dǎo)致加工位置的誤差。見(jiàn)圖5，本發(fā)明加工方法具有如下步驟，SOlO段是將包含加工面形狀的設(shè)計(jì)值輸入進(jìn)3維切削加工裝置的加工控制裝置中。S020段是將工具變量輸入進(jìn)3維切削加工裝置的加工控制裝置中。在這里，工具變量是表示工具形狀的變量。S030段是將彎曲修正系數(shù)的初始值輸入進(jìn)3維切削加工裝置的加工控制裝置中。 具體的說(shuō)，就是將c作為彎曲修正系數(shù)，將修正量以-C · d · sin 2 Φ來(lái)表示。直接將彎曲修正系數(shù)c輸入加工控制裝置也可以。彎曲修正系數(shù)C根據(jù)作業(yè)和工具的種類而定，只要加工制御裝置的存儲(chǔ)器能容納就可以。在這種情況下，加工控制裝置根據(jù)工具的軌跡和加工面的形狀，按照公式
-C · d · sin 2 Φ來(lái)計(jì)算修正量?；蛘?，將彎曲修正系數(shù)C作為別的常數(shù)，將修正量以-C sin 2 Φ來(lái)表示。直接將修正系數(shù)C輸入加工控制裝置也可以。只需彎曲修正系數(shù)C根據(jù)作業(yè)和工具材料等等，使加工控制裝置的存儲(chǔ)器可以容納就行。在這種情況下，加工控制裝置根據(jù)工具的軌跡和加工面的形狀，按照公式-C sin 2 Φ來(lái)計(jì)算修正量。S040段是用加工控制裝置計(jì)算工具軌跡的膠印位置。計(jì)算膠印位置時(shí)，加上工具軌跡坐標(biāo)的修正量。S050段是根據(jù)計(jì)算出的工具軌跡的膠印位置，用工具101對(duì)作業(yè)201進(jìn)行加工。S060段是測(cè)定切削加工面的形狀。S070段是通過(guò)對(duì)切削加工面的形狀和加工面形狀的設(shè)計(jì)值的比較，判斷兩個(gè)值之間的差是否在產(chǎn)品規(guī)格的容許范圍內(nèi)。如果是在容許范圍內(nèi)的就工序結(jié)束，如果不在容許范圍內(nèi)的，就進(jìn)行S080段。S080段是根據(jù)切削加工面形狀與加工面形狀的設(shè)計(jì)值之間的差，計(jì)算彎曲修正系數(shù)的修正值。S090段是將彎曲修正系數(shù)的修正值輸入進(jìn)3維切削加工裝置的控制裝置中，然后進(jìn)行S040段工序。見(jiàn)圖6，圖6(a)是顯示加工面形狀的設(shè)計(jì)值的示意圖。橫軸是表示r方向的坐標(biāo)， 縱軸是表示Y軸方向的坐標(biāo)。圖6(b)是根據(jù)以往的技術(shù)辦法，被加工后的加工面形狀與設(shè)計(jì)值的偏差。橫軸和圖6(a) —樣，是表示r方向的坐標(biāo)，縱軸是表示Y軸方向的偏差。圖 6(c)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施形態(tài)被加工后的加工面形狀與設(shè)計(jì)值的偏差。橫軸和圖6(a) —樣表示r方向的坐標(biāo)，縱軸表示Y軸方向的偏差。圖6 (a)中加工面的領(lǐng)域1是極坐標(biāo)r越大，Y坐標(biāo)值也就越大；領(lǐng)域2是極坐標(biāo) r越大，Y坐標(biāo)值就越小。在以往的技術(shù)中，對(duì)領(lǐng)域1進(jìn)行修正后，領(lǐng)域1的誤差消除了，但是領(lǐng)域2的誤差卻增大了。再對(duì)領(lǐng)域2進(jìn)行修正后，領(lǐng)域2的誤差消除了，領(lǐng)域1的誤差卻增大了。圖6(b)中，與領(lǐng)域1相對(duì)應(yīng)的部分，與加工后的加工面形狀的設(shè)計(jì)值的偏差在20 千分尺以內(nèi)。另外，與領(lǐng)域2相對(duì)應(yīng)的部分，與加工后的加工面形狀的設(shè)計(jì)值的偏差最大達(dá)到80千分尺。如上所述，這就是考慮到領(lǐng)域1的情況要根據(jù)以往的技術(shù)進(jìn)行修正的原因。圖6 (C)中，不論是與領(lǐng)域1相對(duì)應(yīng)的部分，還是與領(lǐng)域2相對(duì)應(yīng)的部分，與被加工后的加工面形狀的設(shè)計(jì)值的偏差都在20千分尺以內(nèi)。顯然，本發(fā)明的上述具體實(shí)施方式
僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以容易的做出其它形式上的變化或者替代，而這些改變或者替代也將包含在本發(fā)明確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三維切削加工方法，根據(jù)設(shè)計(jì)好的加工軌跡由安裝在中心轉(zhuǎn)軸上的工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行加工，工具的加工位置是以中心轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)為原點(diǎn)的曲坐標(biāo)(r，Θ)，其特征在于上述工具的位置坐標(biāo)在加工位移過(guò)程中設(shè)有修正項(xiàng)，該修正項(xiàng)與sin (2 Φ)成正比例，上述Φ為工具和作業(yè)加工點(diǎn)所在加工面的切線與水平面之間的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維切削加工方法，其特征在于上述修正項(xiàng)還包括d，即該修正項(xiàng)與d · sin (2 Φ)成正比例，上述d為工具加工時(shí)相對(duì)作業(yè)的嵌入深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維切削加工方法，具有如下加工步驟1)將包含加工面形狀的設(shè)計(jì)值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中；2)將工具變量輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中，上述工具變量是表示工具形狀的變量；3)將彎曲修正系數(shù)的初始值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的加工控制裝置中，將c作為彎曲修正系數(shù)，將修正量以-C · d · sin 2 Φ來(lái)表示；4)用加工控制裝置計(jì)算工具軌跡的膠印位置，并加上工具軌跡坐標(biāo)的修正量；5)根據(jù)計(jì)算出的工具軌跡的膠印位置，用工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行加工；6)測(cè)定切削加工面的形狀，和加工面形狀的設(shè)計(jì)值的比較，判斷兩個(gè)值之間的差是否在產(chǎn)品規(guī)格的容許范圍內(nèi)，如果是在容許范圍內(nèi)的就工序結(jié)束；7)如果步驟6)中比較兩個(gè)值之間的差不在容許范圍內(nèi)的，根據(jù)切削加工面形狀與加工面形狀的設(shè)計(jì)值之間的差，計(jì)算彎曲修正系數(shù)的修正值；8)將彎曲修正系數(shù)的修正值輸入進(jìn)三維切削加工裝置的控制裝置中，再重新加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械領(lǐng)域機(jī)加工方法，特別的涉及用于光學(xué)用品模具加工的三維切削加工方法。提供一種采用更加準(zhǔn)確修正項(xiàng)對(duì)工具位置進(jìn)行修正、并且加工精度更好的三維切削加工方法。一種三維切削加工方法，根據(jù)設(shè)計(jì)好的加工軌跡由安裝在中心轉(zhuǎn)軸上的工具對(duì)作業(yè)進(jìn)行加工，工具的加工位置是以中心轉(zhuǎn)軸上的點(diǎn)為原點(diǎn)的曲坐標(biāo)(r，θ)，上述工具的位置坐標(biāo)在加工位移過(guò)程中設(shè)有修正項(xiàng)，該修正項(xiàng)與sin(2φ)成正比例，上述φ為工具和作業(yè)加工點(diǎn)所在加工面的切線與水平面之間的夾角。本方法有效地減少了由于工具的彎曲導(dǎo)致加工位置的誤差。
文檔編號(hào)B23Q15/22GK102441816SQ20111031626
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者向井幸弘, 大割寬, 槇宣志, 西尾幸暢 申請(qǐng)人:常州納樂(lè)科思光學(xué)有限公司