CN106112067B - 多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法 - Google Patents

多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，包括以下步骤，1)按航空标准形成数据库；2)识别零件中所有耳片上的孔；3)初步设计钻模主体结构；4)确定麻花钻设计参数；5)确定扩孔钻设计参数；6)确定铰刀设计参数；7)求钻模具体尺寸；8)生成三维数模；该设计方法依据零件结构完成对钻模、刀具的自动统筹设计，使零件、刀具和钻模三方互相匹配，避免协调性问题的出现，保证零件加工的顺利进行。

Description

多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法
技术领域
本发明涉及一种多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，主要用于多耳片零件孔加工工艺准备过程中钻模及刀具的自动设计，可以广泛应用到具有多耳片深孔结构的零件加工中，能显著提高钻模及刀具设计的效率和协同性，为接下来的加工生产创造便利条件。
背景技术
在飞机结构设计中，铰链类零件起转动、传动作用，能带动翼面整体运动，被广泛运用。该类零件因多耳片间断深孔结构，且同轴度，孔径尺寸精度要求高，需采用钻模定位引导，刀具钻、扩、铰的方式完成对多耳片同轴孔的加工，但在工装刀具设计阶段存在以下问题：一是零件加工设计、工装钻模设计和加工刀具设计三方面分别由三个不同部门的工艺人员完成，相互间沟通协调较为繁琐，效率不高；二是由于专业差异性等原因，常常会出现设计的刀具、钻模和加工零件不能相互匹配的现象，且问题在加工前难以暴露，若在加工过程中出现问题则刀具、钻模的返修会严重拖延零件的生产进度。
发明内容
基于以上原因，本发明提供一种多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，可依据零件结构完成对钻模、刀具的自动统筹设计，使零件、刀具和钻模三方互相匹配，避免协调性问题的出现，保证零件加工的顺利进行。
本发明采用的技术方案为：
多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，包括如下步骤：
1)按航空标准形成数据库；钻模主体包括钻模板、快换钻套和梅花套，所述钻模板具有相对设置的模板片，快换钻套分别装配在钻模主体的首尾两端即第一个钻模板相对于钻模主体最外侧的模板片上和最后一个钻模板相对于钻模主体最外侧的模板片上，梅花套装配在其余位于中部的模板片上；由快换钻套和梅花套完成对刀具的引导；所述刀具包括麻花钻、扩孔钻和铰刀，麻花钻钻出初孔，扩孔钻完成孔的半精加工，铰刀进行精加工；将快换钻套、梅花套、加工刀具的设计参数按航空标准形成数据库；
2)识别零件中所有耳片上的孔；进入CAD/CAM平台的装配单元，加载设计零件的数字化三维模型，对零件进行特征识别，得到零件上参数孔直径D、耳片厚度δ和相邻耳片间距L4，并生成所有耳片上同轴孔的中心轴线；
3)初步设计钻模主体结构；开发语言程序自动沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始识别，设模板片数为i，并记初始值i＝0，依据航空标准要求，梅花套的最小厚度值为14mm，所述梅花套分为梅花套凸肩部分和梅花套非凸肩部分；刀具前后排屑距离共8mm；梅花套的最小厚度值加上刀具前后排屑距离为22mm；
所以当相邻耳片间距小于22mm时，相邻耳片间不安排模板片，i不增加计数，此时可将两个耳片的厚度2δ及两个耳片间的间距L4合并，统一视为一个耳片厚度，即δ’＝2δ+L4；
当耳片间距大于等于22mm时，设置1片模板片，i＝i+1；
所有耳片间距依次识别完成后得到模板片数i，为保证钻模精度，零件首尾两侧分别需要1片模板片，所以最后确定总模板片数为j＝i+2；沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始每2～3片模板片为一组，设计一个整体钻模板，由此初步得到钻模主体结构；其中，钻模主体结构中从第一个钻模板到最后一个钻模板的总长为L；
4)确定麻花钻设计参数；麻花钻设计参数包括：麻花钻刀刃直径Dm、麻花钻后引导直径Dmh、麻花钻总长Lm、麻花钻刃长Lmr、麻花钻后引导杆长Lmh；
其中：麻花钻刀刃直径Dm＝D-1mm；麻花钻后引导直径Dmh根据识别出的孔直径D匹配航标数据库，查询得出；
麻花钻总长度满足：1、Lm>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻刃长满足：1、Lmr>δ，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻后引导杆长：Lmh＝Lm-Lmr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定麻花钻基本设计参数；
5)确定扩孔钻设计参数；扩孔钻由前至后依次分为扩孔钻前引导杆、扩孔钻刀刃和扩孔钻后引导杆，其设计参数有扩孔钻刀刃直径Dk、扩孔钻前引导杆直径Dkq、扩孔钻后引导杆直径Dkh、扩孔钻总长Lk、扩孔钻刀刃长Lkr、扩孔钻前引导杆长Lkq、扩孔钻后引导杆长Lkh；其中：
扩孔钻刀刃直径Dk＝D-0.2；
扩孔钻前/后引导杆直径Dkq＝Dkh＝Dmh；
扩孔钻总长度满足：1、Lk>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻刃长Lkr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
扩孔钻前引导杆长满足：1、Lkq+Lkr>L1+δ；2、Lkq+Lkr>L4；3、满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻后引导杆长Lkh＝Lk-Lkq-Lkr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定扩孔钻基本设计参数；
6)确定铰刀设计参数；铰刀由前至后依次分为铰刀前引导杆、铰刀刀刃和铰刀后引导杆；铰刀设计参数有铰刀刀刃直径Dj、铰刀前引导杆直径Djq、铰刀后引导杆直径Djh、铰刀总长Lj、铰刀刃长Ljr、铰刀前引导杆长Ljq、铰刀后引导杆长Ljh；其中：
铰刀刀刃直径Dj＝D；
铰刀前/后引导杆直径Djq＝Djh＝Dmh；
铰刀总长度满足：1、Lj>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀刃长Ljr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
铰刀前引导杆长满足：1、Ljq+Ljr>L1+δ；2、Ljq+Ljr>L4；3、满足满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀后引导杆长Ljh＝Lj-Ljq-Ljr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定铰刀基本设计参数；
7)求钻模具体尺寸；采用冒泡排序法求得各刀具比较后的最大刃长Lrmax，在空间允许的情况下，前后排屑空间各为4mm，则：
L1＝Lrmax+4；L1为第一个钻模板2中模板片2.1与第一个耳片之间的距离；
L2为快换钻套非凸肩部分高度即钻模板中用于安装快换钻套的模板片的厚度，并取快换钻套标准数据库中符合孔径要求的最大长度尺寸；
L3＝L4-Hm1-4-4，且L3＝Hm2，L3为钻模板中用于安装梅花套的模板片的厚度，Hm1为梅花套凸肩厚度，Hm2为梅花套非凸肩部分厚度；
由此可求得钻模主体中各钻模板的厚度尺寸；
8)生成三维数模；通过开发程序在CAD/CAM平台中依照2)～7)步骤中所得参数生成钻模板、麻花钻、扩孔钻及铰刀的全部三维数模，通过轴线约束和面接触完成零件三维数模和钻模板的自动装配，并将麻花钻、扩孔钻及铰刀沿装配轴线上沿加工方向依次排列，验证设计结构及参数的准确性，验证正确后，钻模及刀具的自动数字化设计便全部完成。
所述的多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，步骤3)沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始每当耳片间距大于80mm时为一组，设计一个整体钻模板。
所述的多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，步骤4)-6)为保证加工精度，将孔加工步骤统一设计为初钻，扩孔钻，精铰孔三步，出于钻套的互换性需要，将各刀具中即麻花钻、扩孔钻和铰刀的前引导杆和后引导杆的直径设计为相同尺寸。
本发明具有以下有益效果：
通过本发明一种多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法得到的钻模板、麻花钻、扩孔钻及铰刀基本结构可避免实际加工过程中钻模、刀具和零件的干涉、匹配问题，将求得的相关参数发送给钻模及刀具的设计人员完成具体细节的设计。
附图说明
图1为实施例中钻模板与零件的装配结构示意图
图2为实施例钻模与零件的装配结构俯视示意图(其中单点划线为零件轮廓俯视图，实线处为钻模板轮廓俯视图)。
图3为实施例中麻花钻结构参数示意图。
图4为扩孔钻结构参数示意图。
图5为铰刀钻结构参数示意图。
其中1-零件，2-钻模板，2.1-模板片，3-快换钻套，4-梅花套，5-耳片。
具体实施方式
下文中所涉及公式单位均为mm，不再予以特别注明。
实施例 多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法
在如图1所示多耳片零件孔加工工艺准备过程中对钻模及刀具的自动设计,具体包括如下步骤，
1)标准形成数据库。如图1和2所示钻模主体结构包括钻模板2、快换钻套3和梅花套4，所述钻模板2具有两个相对设置的模板片2.1，其中快换钻套3分别装配在钻模主体的首尾两端即第一个钻模板2相对于钻模主体最外侧的模板片2.1上和最后一个钻模板2相对于钻模主体最外侧的模板片2.1上，梅花套4装配在其余位于中部的模板片2.1上。由快换钻套3和梅花套4完成对加工刀具的引导。所述加工刀具由麻花钻、扩孔钻及铰刀构成，麻花钻钻出初孔，扩孔钻完成孔的半精加工，铰刀进行精加工，使孔的尺寸精度及表面质量达到设计要求。因此，首先将快换钻套3、梅花套、加工刀具的设计参数航空标准(以下简称航标)形成数据库。
2)识别零件1中耳片5上的孔。进入CAD/CAM平台的装配单元，加载设计零件1的数字化三维模型，使用开发语言程序对零件进行特征识别，得到零件1上参数孔直径D、耳片5厚度δ和耳片5间距L4，并生成耳片5上同轴孔的中心轴线；
3)初步设计钻模主体结构。开发语言程序自动沿孔轴线方向从零件1一侧开始识别，设模板片2.1个数为i，并记初始值i＝0，依据航标要求，梅花套4的最小厚度值可为14mm(即梅花套4分为凸肩部分和非凸肩部分，其中凸肩部分6mm，非凸肩部分8mm)，加上刀具前后排屑距离共8mm；
所以当耳片间距小于22mm时，耳片间不安排模板片2.1，i不增加计数，此时可将两耳片厚度2δ及两耳片间的耳片间距L4合并，统一视为一个耳片厚度，即δ’＝2δ+L4；
当耳片间距大于等于22mm时，设置1片模板片2.1，i＝i+1，所有耳片间距依次识别完成后得到模板片数i，为保证钻模精度，零件首尾两侧分别需要1片模板片，所以最后确定总模板片数为j＝i+2。沿孔轴线方向从零件一侧开始每2～3片模板片(或当耳片间距大于80mm时)为一组，设计一个整体钻模板(具体参数可由人机交互设定调整)，由此初步得到钻模主体结构；其中，钻模主体结构中从第一个钻模板到最后一个钻模板的总长为L；
4)如图3所示确定麻花钻设计参数。为保证加工精度，将孔加工步骤统一设计为初钻，扩孔钻，精铰孔三步，出于钻套的互换性需要，将各刀具中的前/后引导杆的直径设计为相同的尺寸。
麻花钻设计参数包括：麻花钻刀刃直径Dm、麻花钻后引导直径Dmh、麻花钻总长Lm、麻花钻刃长Lmr、麻花钻后引导杆长Lmh。
其中：麻花钻刀刃直径：Dm＝D-1；麻花钻后引导直径Dmh根据识别出的孔直径D匹配航标数据库，查询得出；
麻花钻总长度满足：1、Lm>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻刃长满足：1、Lmr>δ，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻后引导杆长：Lmh＝Lm-Lmr；
夹持方式在人机交互界面中设定；
综上可确定麻花钻基本设计参数。
5)如图4所示求扩孔钻尺寸。扩孔钻由前至后依次分为扩孔钻前引导杆、扩孔钻刀刃和扩孔钻后引导杆，其设计参数有扩孔钻刀刃直径Dk、扩孔钻前引导杆直径Dkq、扩孔钻后引导杆直径Dkh、扩孔钻总长Lk、扩孔钻刀刃长Lkr、扩孔钻前引导杆长Lkq、扩孔钻后引导杆长Lkh。其中：
扩孔钻刀刃直径：Dk＝D-0.2；
扩孔钻前/后杆引导直径：Dkq＝Dkh＝Dmh；
扩孔钻总长度满足：1、Lk>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻刃长Lkr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
扩孔钻前引导杆长满足：1、Lkq+Lkr>L1+δ；2、Lkq+Lkr>L4；3、满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻后引导杆长：Lkh＝Lk-Lkq-Lkr；
夹持方式在人机交互界面中设定；
综上可确定扩孔钻基本设计参数。
6)如图5所示求铰刀尺寸。类似于扩孔钻，铰刀由前至后依次分为铰刀前引导杆、铰刀刀刃和铰刀后引导杆；铰刀设计参数有铰刀刀刃直径Dj、铰刀前引导杆直径Djq、铰刀后引导杆直径Djh、铰刀总长Lj、铰刀刃长Ljr、铰刀前引导杆长Ljq、铰刀后引导杆长Ljh。其中：
铰刀刀刃直径：Dj＝D；
铰刀前/后引导杆直径：Djq＝Djh＝Dmh；
铰刀总长度满足：1、Lj>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀刃长Ljr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
铰刀前引导杆长满足：1、Ljq+Ljr>L1+δ；2、Ljq+Ljr>L4；3、满足满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀后引导杆长：Ljh＝Lj-Ljq-Ljr；
夹持方式在人机交互界面中设定；
综上可确定铰刀基本设计参数。
7)求钻模具体尺寸。冒泡排序法求得各刀具比较后的最大刃长Lrmax，在空间允许的情况下，前后排屑空间各为4mm，则：
L1＝Lrmax+4；L1为第一个钻模板2中模板片2.1与第一个耳片之间的距离；
L2为快换钻套的非凸肩部分高度(即钻模板中用于安装快换钻套的模板片的厚度)，并取快换钻套标准数据库中符合孔径要求的最大长度尺寸；
L3＝L4-Hm1-4-4，且L3＝Hm2，L3为钻模板中用于安装梅花套的模板片2.1的厚度，Hm1为梅花套凸肩厚度，Hm2为梅花套非凸肩部分厚度。
由此可求得钻模主体中各钻模板的所有厚度尺寸。
8)生成三维数模。通过开发程序在CAD/CAM平台中依照2)～7)步骤中所得参数生成钻模板2、麻花钻、扩孔钻及铰刀的全部三维数模，通过轴线约束和面接触完成零件三维数模和钻模板的自动装配，并将麻花钻、扩孔钻及铰刀沿装配轴线上沿加工方向依次排列，方便工艺人员手动演示加工过程，验证设计结构及参数的准确性，验证正确后，钻模及刀具的自动数字化设计便全部完成。
通过以上步骤得到的钻模板、麻花钻、扩孔钻及铰刀基本结构可避免实际加工过程中钻模、刀具和零件的干涉、匹配问题，将求得的相关参数发送给钻模及刀具的设计人员完成具体细节的设计。

Claims (3)

1.多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按航空标准形成数据库；钻模主体包括钻模板、快换钻套和梅花套，所述钻模板具有相对设置的模板片，快换钻套分别装配在钻模主体的首尾两端即第一个钻模板相对于钻模主体最外侧的模板片上和最后一个钻模板相对于钻模主体最外侧的模板片上，梅花套装配在其余位于中部的模板片上；由快换钻套和梅花套完成对刀具的引导；所述刀具包括麻花钻、扩孔钻和铰刀，麻花钻钻出初孔，扩孔钻完成孔的半精加工，铰刀进行精加工；将快换钻套、梅花套、加工刀具的设计参数按航空标准形成数据库；
2)识别零件中所有耳片上的孔；进入CAD/CAM平台的装配单元，加载设计零件的数字化三维模型，对零件进行特征识别，得到零件上参数孔直径D、耳片厚度δ和相邻耳片间距L4，并生成所有耳片上同轴孔的中心轴线；
3)初步设计钻模主体结构；开发语言程序自动沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始识别，设模板片数为i，并记初始值i＝0，依据航空标准要求，梅花套的最小厚度值为14mm，所述梅花套分为梅花套凸肩部分和梅花套非凸肩部分；刀具前后排屑距离共8mm；梅花套的最小厚度值加上刀具前后排屑距离为22mm；
所以当相邻耳片间距小于22mm时，相邻耳片间不安排模板片，i不增加计数，此时可将两个耳片的厚度2δ及两个耳片间的间距L4合并，统一视为一个耳片厚度，即δ’＝2δ+L4；
当耳片间距大于等于22mm时，设置1片模板片，i＝i+1；
所有耳片间距依次识别完成后得到模板片数i，为保证钻模精度，零件首尾两侧分别需要1片模板片，所以最后确定总模板片数为j＝i+2；沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始每2～3片模板片为一组，设计一个整体钻模板，由此初步得到钻模主体结构；其中，钻模主体结构中从第一个钻模板到最后一个钻模板的总长为L；
4)确定麻花钻设计参数；麻花钻设计参数包括：麻花钻刀刃直径Dm、麻花钻后引导直径Dmh、麻花钻总长Lm、麻花钻刃长Lmr、麻花钻后引导杆长Lmh；
其中：麻花钻刀刃直径Dm＝D-1mm；麻花钻后引导直径Dmh根据识别出的孔直径D匹配航标数据库，查询得出；
麻花钻总长度满足：1、Lm>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻刃长满足：1、Lmr>δ，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
麻花钻后引导杆长：Lmh＝Lm-Lmr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定麻花钻基本设计参数；
5)确定扩孔钻设计参数；扩孔钻由前至后依次分为扩孔钻前引导杆、扩孔钻刀刃和扩孔钻后引导杆，其设计参数有扩孔钻刀刃直径Dk、扩孔钻前引导杆直径Dkq、扩孔钻后引导杆直径Dkh、扩孔钻总长Lk、扩孔钻刀刃长Lkr、扩孔钻前引导杆长Lkq、扩孔钻后引导杆长Lkh；其中：
扩孔钻刀刃直径Dk＝D-0.2；
扩孔钻前/后引导杆直径Dkq＝Dkh＝Dmh；
扩孔钻总长度满足：1、Lk>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻刃长Lkr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
扩孔钻前引导杆长满足：1、Lkq+Lkr>L1+δ；2、Lkq+Lkr>L4；3、满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
扩孔钻后引导杆长Lkh＝Lk-Lkq-Lkr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定扩孔钻基本设计参数；
6)确定铰刀设计参数；铰刀由前至后依次分为铰刀前引导杆、铰刀刀刃和铰刀后引导杆；铰刀设计参数有铰刀刀刃直径Dj、铰刀前引导杆直径Djq、铰刀后引导杆直径Djh、铰刀总长Lj、铰刀刃长Ljr、铰刀前引导杆长Ljq、铰刀后引导杆长Ljh；其中：
铰刀刀刃直径Dj＝D；
铰刀前/后引导杆直径Djq＝Djh＝Dmh；
铰刀总长度满足：1、Lj>L+50，2、满足条件1的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀刃长Ljr为满足航标数据库中的最小长度尺寸；
铰刀前引导杆长满足：1、Ljq+Ljr>L1+δ；2、Ljq+Ljr>L4；3、满足条件1、2的航标数据库中最小长度尺寸；
铰刀后引导杆长Ljh＝Lj-Ljq-Ljr；
夹持方式在人机交互界面中设定；综上可确定铰刀基本设计参数；
7)求钻模具体尺寸；采用冒泡排序法求得各刀具比较后的最大刃长Lrmax，在空间允许的情况下，前后排屑空间各为4mm，则：
L1＝Lrmax+4；L1为第一个钻模板中模板片与第一个耳片之间的距离；
L2为快换钻套非凸肩部分高度即钻模板中用于安装快换钻套的模板片的厚度，并取快换钻套标准数据库中符合孔径要求的最大长度尺寸；
L3＝L4-Hm1-4-4，且L3＝Hm2，L3为钻模板中用于安装梅花套的模板片的厚度，Hm1为梅花套凸肩厚度，Hm2为梅花套非凸肩部分厚度；
由此可求得钻模主体中各钻模板的厚度尺寸；
8)生成三维数模；通过开发程序在CAD/CAM平台中依照2)～7)步骤中所得参数生成钻模板、麻花钻、扩孔钻及铰刀的全部三维数模，通过轴线约束和面接触完成零件三维数模和钻模板的自动装配，并将麻花钻、扩孔钻及铰刀沿装配轴线上沿加工方向依次排列，验证设计结构及参数的准确性，验证正确后，钻模及刀具的自动数字化设计便全部完成。
2.如权利要求1所述的多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，其特征在于，步骤3)沿同轴孔的中心轴线方向从零件一侧开始每当耳片间距大于80mm时为一组，设计一个整体钻模板。
3.如权利要求1所述的多耳片零件孔加工钻模及刀具自动设计方法，其特征在于，步骤4)-6)为保证加工精度，将孔加工步骤统一设计为初钻，扩孔钻，精铰孔三步，出于钻套的互换性需要，将各刀具中即麻花钻、扩孔钻和铰刀的前引导杆和后引导杆的直径设计为相同尺寸。
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