CN103111650A - 一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法，首先在机床上装夹待钻孔工件，按照加工要求将机床主轴绕机床坐标系Y轴倾斜，然后采用标准球设定加工坐标系，接着采用循环钻孔方式进行多次分段钻孔，直至钻孔深度到达要求，完成整个钻孔过程。采用本方法可以实现可倾斜主轴数控铣床的钻孔加工，通过多次直线插补指令完成快速进刀、钻孔、快速退刀循环操作,从而完成整个钻孔过程，实现原本普通数控铣床无法完成，只能通过五坐标加工中心实现的钻斜孔加工任务，同时所需费用也较五坐标加工中心大大降低。

Description

一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体为一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法。

背景技术

整体叶盘、叶轮以及整体喷嘴环等整体构件为提高产品性能提供了保障，但同时也对制造技术提出了挑战。整体构件高效高质量制造最有效的办法是数控加工，由于在加工时要受内、外缘板约束和前后叶片的遮挡，导致加工的开敞性很差，加工约束多，因此要完全完成这些整体结构件的加工必须采用可以使主轴倾斜的机床，否则就会导致有些部位不能加工。目前主轴能倾斜的数控机床仅限于五坐标加工中心，所以这些整体构件的加工必须采用五坐标加工中心设备。但是五坐标加工中心设备购买费用太高，一台需要300万～1000万元人民币，导致设备稀缺、加工费用增高，最终使产品生产成本上升。

为了降低加工成本，在普通数控铣床的基础上改造出了可倾斜主轴的数控铣床，其特点在于可以根据加工要求，在停机状态下将铣床的加工主轴倾斜，实现原本普通数控铣床无法完成的加工任务。这种可倾斜主轴数控铣床较五座标加工中心成本大大降低，但由于主轴倾斜，其中的数控钻孔加工方法与原普通数控铣床的钻孔加工方法不同，需要重新设计新的加工方法。普通数控铣床加工过程与可倾斜主轴数控铣床加工过程的主要区别在于：

（1）可倾斜主轴数控铣床可以钻斜孔，斜孔是指孔中心线与机床工作台面不垂直的孔。如果主轴倾斜是绕机床Y轴旋转，那么可倾斜主轴数控铣床钻孔时要求孔中心线在坐标平面XY（工作台面）上投影与X轴平行。而普通数控铣床只能钻直孔，直孔是指孔中心线与机床工作台面垂直的孔；

（2）在加工坐标系中，普通数控铣床钻孔过程只涉及刀轴方向Z坐标改变，而可倾斜主轴数控铣床钻孔过程涉及到Z、X两个坐标。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中缺乏可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法的问题，本发明提出了一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法。

技术方案

本发明提出的一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法，在倾斜钻孔过程中，将钻孔循环指令分解为多个直线插补指令，即由多个直线指令完成快速进刀、钻孔、快速退刀循环操作，完成整个钻孔过程。

本发明的技术方案为：

所述一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法，采用以下步骤：

步骤1：在机床上的工作台上装夹待钻孔工件，并且待钻孔的中心线在机床坐标系的XY平面上的投影与机床坐标系X轴平行，所述机床坐标系XY平面与机床工作台平面平行；将机床主轴绕机床坐标系Y轴倾斜α角，使机床主轴与待钻孔中心线平行；

步骤2：刀柄夹持标准球，刀柄安装在倾斜α角的机床主轴上，通过标准球设定加工坐标系；走刀使机床主轴中心轴线与待钻孔中心轴线重合，并测量标准球顶端在加工坐标系中的坐标为

步骤3：测量刀柄上夹持标准球时的刀长和刀柄上夹持钻头的刀长，得到两个刀长之差ΔL，其中当刀柄上夹持钻头的刀长大于刀柄上夹持标准球的刀长时，ΔL为正，反之为负；采用公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=x_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\sin \mathrm{\α}\\ y_0=y_0^{\′}\\ z_0=z_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到刀柄上夹持钻头时，钻头尖顶点在加工坐标系中的坐标(x₀,y₀,z₀)；

步骤4：以(x₀,y₀,z₀)为起始点坐标，按照公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_0+k\·M\·\sin \mathrm{\α}\\ y_1=y_0\\ z_1=z_0+k\·M\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到回退定位点在加工坐标系中的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中M为起始点与回退定位点之间的距离，k为移动系数，当钻头向待钻孔方向移动时k=-1，当钻头远离待钻孔移动时k=1；

步骤5：采用循环钻孔方式进行多次分段钻孔，直至钻孔深度到达要求，完成整个钻孔过程；其中第n次钻孔的步骤为：

步骤5.1：控制钻头从回退定位点移动到第n次钻孔的安全点，其中回退定位点坐标(x₁,y₁,z₁)与第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{an}}=x_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{an}}=y_1\\ z_{\mathrm{an}}=z_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中，Q为每次钻孔的深度，L为回退定位点到待钻孔工件的待钻孔平面的距离，d为安全距离；

步骤5.2：控制钻头从第n次钻孔的安全点运动到第n次钻孔的孔底，其中第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)与第n次钻孔的孔底坐标(x_kn,y_kn,z_kn)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{kn}}=x_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{kn}}=y_{\mathrm{an}}\\ z_{\mathrm{kn}}=z_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

步骤5.3：控制钻头在第n次钻孔的孔底进行动作，而后控制钻头返回回退定位点。

有益效果

采用本方法可以实现可倾斜主轴数控铣床的钻孔加工，通过多次直线插补指令完成快速进刀、钻孔、快速退刀循环操作,从而完成整个钻孔过程，实现原本普通数控铣床无法完成，只能通过五坐标加工中心实现的钻斜孔加工任务，同时所需费用也较五坐标加工中心大大降低。

附图说明

图1：主轴倾斜角度控制结构图；

图2：采用标准球设置加工坐标系结构图；

图3：钻孔加工示意图；

图4：钻头刀长与标准球刀长比较图；

其中：1、块规；2、正弦规；3、百分表；4、机床主轴移动方向；5、标准球；6、待钻孔零件；7、钻头；8、初始平面；9、回退平面；10、孔顶平面；11、孔底平面；12、刀柄；α、斜孔中心线与坐标平面XY（工作台面）法线的夹角；l、百分表沿刀轴方向移动距离；H、钻孔深度；Q、每次钻孔深度；d、安全距离；L、回退距离；M、初始平面与回退平面距离。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

该实施例为在航空发动机机匣上钻一个与机床坐标系的XY坐标平面成60°的孔，由于机匣中固定有整体叶盘的叶片，造成遮挡，普通数控机床无法加工，而采用五坐标加工中心进行钻孔加工将使成本大大的提高，因此采用可倾斜主轴数控铣床进行钻孔加工。

步骤1：在机床上的工作台上装夹机匣。机匣放置好后，待钻孔的中心线在机床坐标系的XY平面上的投影与机床坐标系X轴平行，且待钻孔的中心线要与X轴成60°夹角。所述机床坐标系XY平面与机床工作台平面平行；将机床主轴绕机床坐标系Y轴倾斜30°角，使机床主轴与待钻孔中心线平行。

其中控制机床主轴倾斜角度的过程为：通过组合块规和正弦规设定倾斜角度为30°角。将机床主轴装上百分表，使机床主轴与正弦规斜面平行，通过程序控制百分表沿刀轴方向移动，并沿刀轴方向移动距离l，如果百分表指示误差小于限定值（一般小于0.01mm），说明主轴倾斜角度为30°。

步骤2：刀柄夹持标准球，刀柄安装在倾斜30°角的机床主轴上，通过标准球设定加工坐标系；采用标准球设定加工坐标系为行业内公知的方法，即采用标准球触碰机匣的三个侧面，以确定加工坐标系原点。走刀使机床主轴中心轴线与待钻孔中心轴线重合，并测量标准球顶端在加工坐标系中的坐标为

步骤3：由于钻头的长度影响钻孔的位置和深度，所以采用对刀仪测量刀柄上夹持标准球时的刀长和刀柄上夹持钻头的刀长，得到两个刀长之差ΔL，其中当刀柄上夹持钻头的刀长大于刀柄上夹持标准球的刀长时，ΔL为正，反之为负；采用公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=x_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\sin \mathrm{\α}\\ y_0=y_0^{\′}\\ z_0=z_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到刀柄上夹持钻头时，钻头尖顶点在加工坐标系中的坐标(x₀,y₀,z₀)，α＝30°。

步骤4：以(x₀,y₀,z₀)为起始点坐标，按照公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_0+k\·M\·\sin \mathrm{\α}\\ y_1=y_0\\ z_1=z_0+k\·M\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到回退定位点在加工坐标系中的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中M为起始点与回退定位点之间的距离，在图3中为初始平面8与回退平面9距离，k为移动系数，当钻头向待钻孔方向移动时k=-1，当钻头远离待钻孔移动时k=1，α＝30°。

步骤5：采用循环钻孔方式进行多次分段钻孔，直至钻孔深度到达要求，完成整个钻孔过程；每段切削进给完成后钻头尖向上快速抬起至回退平面，再快速运动至上次加工面距d的安全点，然后进行下一段的切削进给。其中第n次钻孔的步骤为：

步骤5.1：控制钻头从回退定位点移动到第n次钻孔的安全点，其中回退定位点坐标(x₁,y₁,z₁)与第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{an}}=x_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{an}}=y_1\\ z_{\mathrm{an}}=z_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中，Q为每次钻孔的深度，L为回退定位点到待钻孔工件的待钻孔平面的距离，d为安全距离，α＝30°；

步骤5.2：控制钻头从第n次钻孔的安全点运动到第n次钻孔的孔底，其中第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)与第n次钻孔的孔底坐标(x_kn,y_kn,z_kn)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_{\mathrm{kn}}=x_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{kn}}=y_{\mathrm{an}}\\ z_{\mathrm{kn}}=z_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

步骤5.3：控制钻头在第n次钻孔的孔底进行动作，而后控制钻头返回回退定位点。

Claims (1)

1.一种可倾斜主轴数控铣床钻孔加工方法，采用以下步骤：

步骤1：在机床上的工作台上装夹待钻孔工件，并且待钻孔的中心线在机床坐标系的XY平面上的投影与机床坐标系X轴平行，所述机床坐标系XY平面与机床工作台平面平行；将机床主轴绕机床坐标系Y轴倾斜α角，使机床主轴与待钻孔中心线平行；

步骤2：刀柄夹持标准球，刀柄安装在倾斜α角的机床主轴上，通过标准球设定加工坐标系；走刀使机床主轴中心轴线与待钻孔中心轴线重合，并测量标准球顶端在加工坐标系中的坐标为

步骤3：测量刀柄上夹持标准球时的刀长和刀柄上夹持钻头的刀长，得到两个刀长之差ΔL，其中当刀柄上夹持钻头的刀长大于刀柄上夹持标准球的刀长时，ΔL为正，反之为负；采用公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=x_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\sin \mathrm{\α}\\ y_0=y_0^{\′}\\ z_0=z_0^{\′}+\mathrm{\ΔL}\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到刀柄上夹持钻头时，钻头尖顶点在加工坐标系中的坐标(x₀,y₀,z₀)；

步骤4：以(x₀,y₀,z₀)为起始点坐标，按照公式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_0+k\·M\·\sin \mathrm{\α}\\ y_1=y_0\\ z_1=z_0+k\·M\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

得到回退定位点在加工坐标系中的坐标(x₁,y₁,z₁)，其中M为起始点与回退定位点之间的距离，k为移动系数，当钻头向待钻孔方向移动时k=-1，当钻头远离待钻孔移动时k=1；

步骤5：采用循环钻孔方式进行多次分段钻孔，直至钻孔深度到达要求，完成整个钻孔过程；其中第n次钻孔的步骤为：

步骤5.1：控制钻头从回退定位点移动到第n次钻孔的安全点，其中回退定位点坐标(x₁,y₁,z₁)与第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{an}}=x_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{an}}=y_1\\ z_{\mathrm{an}}=z_1+k\·(L+(n-1)Q-d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

其中，Q为每次钻孔的深度，L为回退定位点到待钻孔工件的待钻孔平面的距离，d为安全距离；

步骤5.2：控制钻头从第n次钻孔的安全点运动到第n次钻孔的孔底，其中第n次钻孔的安全点坐标(x_an,y_an,z_an)与第n次钻孔的孔底坐标(x_kn,y_kn,z_kn)的关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{kn}}=x_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\sin \mathrm{\α}\\ y_{\mathrm{kn}}=y_{\mathrm{an}}\\ z_{\mathrm{kn}}=z_{\mathrm{an}}+k\·(Q+d)\·\cos \mathrm{\α}\end{array}\right.$

步骤5.3：控制钻头在第n次钻孔的孔底进行动作，而后控制钻头返回回退定位点。

Images