CN104043852B - 行星镗削加工方法 - Google Patents

Abstract

行星镗削加工方法，包括如下步骤：A、将工件卡装在夹具上，工件待加工部分中心轴的延伸方向与Z轴一致；B、利用主轴电机分度定位，使镗刀的刀尖定位于X轴的正向；C、利用三轴联动机构移动主轴，使工件待加工部分的圆心落在X轴上，镗刀的刀尖贴合于工件带加工部分的表面，主轴的中心轴与工件待加工部分中心轴错开距离h；D、利用三轴联动机构的X轴和Y轴插补实现主轴中心轴在XY平面上绕工件待加工部分中心轴圆周运动，同时，主轴电机带动镗刀绕主轴中心轴转动，主轴电机带动镗刀转动的方向、速率与主轴中心轴圆周运动的方向、速率相同。本发明的方法，可提高加工效率，减小刀具所受的扭矩。

Description

行星镗削加工方法

技术领域

本发明涉及机加工技术领域，具体涉及一种行星镗削加工方法。

背景技术

目前，数控加工中心机床在加工较大直径(直径大于Φ250mm)孔系或外圆时，一般采用二种方法。

一种为传统的镗削加工方法，参见图1所示，刀具装在机床主轴上在XY平面内回转，工件或刀具沿主轴方向(即Z向)进给，刀具的回转半径与所加工孔的半径相同，这种方法的缺点是工件加工直径较大时，受刀具尺寸限制，无法实现，并且无论加工何种尺寸大小的工件时，其均必须采用大规格大主轴扭矩的加工中心，以克服工件加工面对主轴施加的较大扭矩，并且，这种加工方法，需要有安装镗床的平旋盘才能完成。

另一种方法是采用数控圆柱铣刀铣削加工，参见图2所示，其主轴中心与加工外圆或孔的中心轴重合，由机床X轴和Y轴插补实现圆柱铣刀的圆弧轨迹运动，同时主轴带动圆柱铣刀绕主轴中心轴自转，从而实现铣削加工，该方法受刀具线速度的限制，其加工效率非常低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在于提供一种行星镗削加工方法，其能够便于在没有平旋盘的中小规格数控加工中心上实现大直径外圆或内孔的镗削加工，在减小机床主轴承受的扭矩以及机床主轴电机输出功率的基础上，提高加工效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

行星镗削加工方法，其是将带动镗刀的主轴安装在一具有X、Y、Z轴三个直线数控坐标的三轴联动机构上，且主轴能够带动镗刀绕主轴的中心轴转动；该方法包括如下步骤：

A、将工件卡装在夹具上，工件待加工部分中心轴的延伸方向与Z轴一致；

B、利用主轴电机分度定位，使镗刀的刀尖定位于X轴的正向；

C、利用三轴联动机构移动主轴，使工件待加工部分的圆心落在X轴上，镗刀的刀尖贴合于工件带加工部分的表面，主轴的中心轴与工件待加工部分中心轴错开距离h；

D、利用三轴联动机构的X轴和Y轴插补实现主轴中心轴在XY平面上绕工件待加工部分中心轴圆周运动，同时，主轴电机带动镗刀绕主轴中心轴转动，主轴电机带动镗刀转动的方向、速率与主轴中心轴圆周运动的方向、速率相同。

在进行了步骤D之后还需要进行如下步骤：

E、沿Z轴向着镗刀移动夹装工件的夹具、或利用三轴联动机构带动镗刀向着工件的方向进给；

F、重复上述步骤D和步骤E，完成工件待加工部分的镗削。

本发明的有益效果在于：

本发明的方法，可以在无平旋盘的加工中心机床上使用小直径刀具完成大尺寸工件镗削的加工，代替原来常用的插补铣圆方式，使加工效率提高数倍。并且，即使在机床主轴功率和扭矩较小的中小规格加工中心机床上也可高效完成大直径加工。此外，突破了加工中心刀库对刀具直径限制造成的大孔加工局限。

附图说明

图1为现有镗削加工方法的示意图；

图2为现有铣削加工方法的示意图；

图3为本发明镗削加工方法的示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

本发明的行星镗削加工方法，其能够用于镗削工件的圆柱及孔结构，该镗削加工方法需要借助一加工中心机床，该加工中心机床具有X、Y、Z轴三个直线数控坐标的三轴联动机构且具有主轴C轴旋转功能，带动镗刀20的主轴30在三轴联动机构的带动下，可沿X轴、Y轴以及Z轴运动，主轴30又能够带动镗刀20绕主轴30的中心轴转动，下面，以在工件10上加工孔为例，详细的介绍本发明的镗削加工方法。

参见图3，本发明的镗削加工方法包括如下步骤：

A、将工件10卡紧在夹具上，确保工件被卡紧无松动，使工件10上待加工孔11的中心轴O₁的延伸方向与Z轴一致；

B、利用主轴30的电机进行分度定位，使镗刀20的刀尖被定位在X轴的正向上；

C、利用三轴联动机构移动主轴30，使工件10的待加工孔11的圆心落在X轴上，并将镗刀20的刀尖贴合于待加工孔11的表面，此时，主轴30的中心轴与待加工孔11的中心轴O₁错开一个距离h；

D、利用三轴联动机构的X轴和Y轴插补实现主轴30的中心轴O₂在XY平面上绕待加工孔11的中心轴O₁做圆周运动，同时，主轴电机带动镗刀20绕主轴20的中心轴O₂转动，主轴电机带动镗刀20转动的方向、速率与主轴中心轴圆周运动的方向、速率相同；如图3中所示，在XY平面的第一象限内，X轴和Y轴插补使主轴20的中心轴O₂从初始位置绕待加工孔11的中心轴O₁转动到位置A处时，主轴20的中心轴O₂绕中心轴O₁转过的角度为a，主轴20带动镗刀20绕主轴20的中心轴O₂转过的角度同样为a，此种情况下，使镗刀20的直径R始终与主轴20中心轴O₂的转动轨迹垂直，即镗刀20的直径R始终与待加工孔11的圆周表面垂直，使镗刀20的刀尖能够始终保持正确的镗削加工角度，上述过程中，主轴20绕中心轴O₁公转一周，主轴20同时自转一周，形成行星运动。由于主轴20的中心轴O₂与待加工孔的中心轴O₁相互错开一个距离h，因此使得镗刀20的直径大大的减小，镗刀20在镗削时，待加工孔11圆周面施加镗刀20刀尖上的反作用力而产生的扭矩也就大大的减小；

E、沿Z轴向着镗刀20移动夹装工件10的夹具、或利用三轴联动机构带动镗刀20向着工件10的方向进给；

F、重复上述步骤D和步骤E，完成工件10的加工。

以下为在同等加工要求的前提下，针对不同的加工方法所做的实验验证：

加工要求具体为：

工件材料：铸铁HT250，硬度HB210；

加工孔径D：Φ300；

加工深度D₁：50mm；

单边留量：3mm；

刀片切削速度V_C＝200m/min＝3.33m/S；

一、传统铣削方法

已知条件：圆盘铣刀直径d₀＝Φ50mm；齿数Z＝5；切削速度V_C＝3.33m/S；每齿进给量a_f＝0.15mm；铣削深度a_p＝5mm；铣削宽度a_e＝3mm；

则通过计算可得出：

主轴转速n＝V_C×1000/πD₁＝200×1000/(3.14×50)＝1274r/min

切削力 $\begin{array}{c}{F}_{Z1}=9.81C_{F_Z}\×{a_e}^{0.83}\×{a_f}^{0.65}\×a_p\×{d_0}^{-0.83}\×Z\\ =9.81\×30\×3^{0.83}\×{0.15}^{0.65}\×5\×{50}^{-0.83}\×5\\ =275N\end{array}$

其中，为铸铁HT250切削系数；

材料HT250，硬度HB210的铸铁铣削力修正系数为：

$K_{F_Z}={(\mathrm{HB}/190)}^{0.55}={(210/190)}^{0.55}=1.057$

故，实际圆周切削力 $F_Z=F_{Z1}\×K_{F_Z}=275X1.057=291N$

铣削功率P_m＝F_Z×V_C×10^-3＝291×3.33×10^-3＝0.97kw

机床主轴电机功率P_E≥P_m/η＝0.97/0.75＝1.3kw

其中，η为传动效率；

铣削扭矩T＝F_Z×L＝F_Z×(d₀/2)＝291×0.025＝7.28N·m

走刀圈数：11圈；

所需加工时间：共542秒；

二、传统镗削法

已知条件：切削速度：V_C＝3.33m/s；每转进给f＝0.2mm/r；切削深度a_p＝5mm；

则通过计算可得出：

主轴转速n＝60V_C×1000/πD＝60×3.33×1000/(300×3.14)＝212r/min

切削力F_Z＝P×a_p×f＝1118×5×0.2＝1118N

其中P为铸铁HT250单位切削力；

切削功率P_m＝F_Z×V_C×10^-3＝1118×3.33×10^-3＝3.72kw

机床主轴电机功率P_E≥P_m/η＝3.72/0.75＝4.96kw

其中，η为传动效率；

切削扭矩T＝F_Z×L＝F_Z×(D/2)＝1118×0.15＝168N·m

所需加工时间：共73.48秒

三、本发明行星镗削法

已知条件：机床快速移动为40m/min；每转进给量f＝0.5mm/r；切削深度a_p＝5mm；镗刀直径d₀＝100mm；

则通过计算可得出：

切削速度V_C≤[D/(D-d₀)]×40m/min+(d₀/D)×40m/min

＝[300/(300-100)]×40+(100/300)×40

＝73.33m/min

取V_C＝65m/min

则：

主轴转速n＝V_C×1000/πD＝65×1000/3.14×300＝69r/min

切削力F_Z＝P×a_p×f＝1118×5×0.5＝2795N

其中P为铸铁HT250单位切削力；

切削功率P_m＝F_Z×V_C×10^-3＝2795×1.083×10^-3＝3.03kw

机床主轴电机功率P_E≥P_m/η＝3.03/0.75＝4.4kw

切削扭矩T＝F_Z×L＝2795×0.05＝140N·m

所需加工时间：共90.43秒

从以上实验验证的结果来看，在同样加工要求的情况下，采用本发明的镗削方法的加工效率比铣削方法的加工效率提高五倍以上，并且，随着工件直径的加大，其差异更大，本发明的镗削方法的效率优势更为明显；同时，本发明的方法主轴电机消耗的功率小于传统的镗削方法；从刀具受力情况来看，本发明方法刀具所受的扭矩小于铣削方法和传统的镗削方法，刀具的寿命更长。

本发明的方法，可以在无平旋盘的加工中心机床上使用小直径刀具完成大尺寸工件镗削的加工，代替原来常用的插补铣圆方式，使加工效率提高数倍。并且，即使在机床主轴功率和扭矩较小的中小规格加工中心机床上也可高效完成大直径加工。此外，突破了加工中心刀库对刀具直径限制造成的大孔加工局限。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.行星镗削加工方法，其是将带动镗刀的主轴安装在一具有X、Y、Z轴三个直线数控坐标的三轴联动机构上，且主轴能够带动镗刀绕主轴的中心轴转动；其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、将工件卡装在夹具上，工件待加工部分中心轴的延伸方向与Z轴一致；

B、利用主轴电机分度定位，使镗刀的刀尖定位于X轴的正向；

C、利用三轴联动机构移动主轴，使工件待加工部分的圆心落在X轴上，镗刀的刀尖贴合于工件待加工部分的表面，主轴的中心轴与工件待加工部分中心轴错开距离h；

D、利用三轴联动机构的X轴和Y轴插补实现主轴中心轴在XY平面上绕工件待加工部分中心轴圆周运动，同时，主轴电机带动镗刀绕主轴中心轴转动，主轴电机带动镗刀转动的方向、速率与主轴中心轴圆周运动的方向、速率相同。

2.如权利要求1所述的行星镗削加工方法，其特征在于，在进行了步骤D之后还需要进行如下步骤：

E、沿Z轴向着镗刀移动夹装工件的夹具、或利用三轴联动机构带动镗刀向着工件的方向进给；

F、重复上述步骤D和步骤E，完成工件待加工部分的镗削。