CN107335972A - 超深异型曲面回转型腔零件的加工方法及专用设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，包括卧式数控车床、安装在所述卧式数控车床X轴托板上镗孔轴、安装在所述镗孔轴端部的数控U轴及用于支持所述镗孔轴的镗孔轴支撑。在镗孔轴端部设置数控U轴‑‑即设置在横向方向上，与卧式数控车床的Z轴两轴联动，解决了传统的深孔加工方法只能加工圆柱体型腔、不能加工异性曲面回转体型腔的问题。采用该专用设备加工超深异型曲面回转型腔零件的方法，其加工精度高，加工误差小于0.02mm；加工表面质量好，无接刀台阶，表糙度小于1.6μm；加工效率高，是传统成型刀加工效率的2～3倍，且加工成本低。

Description

超深异型曲面回转型腔零件的加工方法及专用设备
技术领域
本发明涉及钻地弹整体战斗部零件的加工领域，具体地指一种超深异型曲面回转型腔零件的加工方法及专用设备。
背景技术
钻地弹从20世纪80年代起由欧洲率先研制，最初用于攻击飞机跑道，由飞机挂载。随着航天防务技术的快速发展，钻地弹已发展为反跑道、反地面掩体和反地下坚固设施等各种类型，可分为巡航导弹型钻地弹、弹道导弹型钻地弹、机载精确制导航空炸弹型钻地弹等。钻地弹采用整体式动能侵彻战斗部，在弹道末段被加速到超声速，依靠飞行动能侵彻到地下坚硬目标或坚固掩体内，对其内设施和人员进行毁伤。
先进的超大型钻地弹整体式动能侵彻战斗部零件热处理后硬度达到53HRC以上，装药型腔深度超过2000mm，为多截面异形曲面回转体结构，尺寸精度要求高，尺寸允许偏差只有0.1mm，传统的深孔加工方法只能加工圆柱体型腔，不能加工异形曲面回转体型腔。如果采用整体成形刀具加工，由于切削力十分巨大而无法实现，如果采用分段成形刀加工又不能满足加工精度要求，且加工效率极低。常规的数控加工方法，由于镗孔刀杆无法设计支撑而产生弹性振动，只能勉强加工深度小于1000mm的异形曲面回转体。
发明内容
本发明的目的就是要针对传统加工方法的不足，提供一种解决超深异型曲面回转型腔加工难题的超深异型曲面回转型腔零件的加工方法及专用设备。
为实现上述目的，本发明所设计的超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，包括卧式数控车床；还包括安装在所述卧式数控车床X轴托板上镗孔轴、安装在所述镗孔轴端部的数控U轴及用于支持所述镗孔轴的镗孔轴支撑；
所述数控U轴包括内置在所述镗孔轴轴孔端部的数控U轴基座、沿Z轴方向安装在所述数控U轴基座上的数控U轴托板、安装在所述数控U轴托板一侧端的直线伺服电机及安装在所述数控U轴托板另一侧端的数控U轴刀座，以及安装在所述数控U轴刀座上的刀具，所述直线伺服电机的驱动电缆穿过所述数控U轴基座通孔直至驱动电缆穿过所述镗孔轴的轴孔与所述卧式数控车床的数控系统联接；且所述数控U轴基座的中心线及所述数控U轴托板的中心线均与所述镗孔轴的轴线共线；
所述镗孔轴支撑包括穿套在所述镗孔轴上的支撑环、衬在所述支撑环与所述镗孔轴外缘壁之间的向心推力轴承及穿套在所述镗孔轴上且通过螺钉与所述支撑环连接的轴承端盖，以及多个沿圆周且均匀分布的支撑杆，每个所述支撑杆的低端插入所述支撑环的固定孔直至所述支撑杆的底端面抵在所述向心推力轴承的表面，每个所述支撑杆的顶端抵在所述待检测零件的型腔内壁上，且通过锁紧螺母将所述支撑杆锁紧安装在所述支撑环上；且所述支撑环的轴线及所述向心推力轴承的轴线均与所述镗孔轴的轴线共线。
进一步地，所述支撑杆采用四个，且四个所述支撑杆沿圆周均匀分布。
进一步地，所述直线伺服电机的行程大于(D2-D3)/2，其中，D2为待检测零件异型曲面回转型腔的中间圆柱形型腔的直径，D3为待检测零件异型曲面回转型腔的前端圆锥形型腔的最小直径。
进一步地，所述支撑杆的顶端为半球体，所述半球体的顶点抵在所述待检测零件异型曲面回转型腔中间圆柱形型腔的内壁上。
进一步地，所述向心推力轴承的轴承孔与所述镗孔轴外径保持0.01～0.02mm的过盈配合。
进一步地，所述镗孔轴的另一端通过镗孔轴基座固定在所述卧式数控车床X轴托板上。
进一步地，所述卧式数控车床选用的是X轴、Z轴具有光栅尺位置精度闭环控制的数控车床，且光栅定位精度误差小于0.015mm。
一种采用如上述所述专用设备加工超深异型曲面回转型腔零件的方法，包括如下步骤：
1)安装
首先将待检测零件沿X轴方向安装在卧式数控车床上，然后将镗孔轴的前端部插入待检测零件的型腔中，镗孔轴的后端部通过镗孔轴基座安装在卧式数控车床的X轴托板上，且镗孔轴的中前部通过镗孔轴支撑支撑在待检测零件型腔的内壁上；最后将数控U轴安装在镗孔轴的前端部；
2)找正
调整镗孔轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.02mm，镗孔轴与卧式数控车床主轴的中心高误差不大于0.02mm；
调整数控U轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.015mm；
调节镗孔轴支撑的支撑杆与待检测零件中间圆柱形型腔同轴度误差小于0.02mm，且保证单面间隙0.01～0.02mm；
3)加工
在数控U轴刀座上安装刀具，数控U轴与卧式数控车床的Z轴两轴联动，插补加工超深异型曲面的回转型腔。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：在镗孔轴端部设置数控U轴--即设置在横向方向上，与卧式数控车床的Z轴两轴联动，解决了传统的深孔加工方法只能加工圆柱体型腔、不能加工异性曲面回转体型腔的问题，克服了整体成形刀具加工切削力十分巨大而无法实现、分段成形刀具加工不能满足加工精度要求且加工效率极低、常规数控加工方法由于镗孔刀杆弹性振动无法加工深度大于1000mm的异性曲面回转体型腔的缺陷；
本发明的加工方法加工精度高，加工误差小于0.02mm；加工表面质量好，无接刀台阶，表糙度小于1.6μm；加工效率高，是传统成型刀加工效率的2～3倍，且加工成本低；该加工方法和专用设备不仅可用于钻地弹整体战斗部零件的加工，也可以用于其他类似产品零件的加工。
附图说明
图1为超深异型曲面回转型腔零件结构示意图；
图2为本发明超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备与待检测零件安装结构示意图；
图3为图2中数控U轴安装结构示意图；
图4为图2中镗孔轴支撑安装结构示意图。
图中各部件标号如下：
卧式数控车床1、镗孔轴2(其中：轴孔2.1)、待检测零件3(其中：型腔3.1、前端圆锥形型腔3.1a、中间圆柱形型腔3.1b、后端圆柱形型腔3.1c)、镗孔轴支撑4(其中：支撑杆4.1、锁紧螺母4.2、支撑环4.3、向心推力轴承4.4、螺钉4.5、轴承端盖4.6)、锁紧螺钉5、数控U轴6(其中：驱动电缆6.1、数控U轴基座6.2、数控U轴托板6.3、直线伺服电机6.4、数控U轴刀座6.5、刀具6.6、通孔6.7)、镗孔轴基座7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图2所示为超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，包括卧式数控车床1、安装在卧式数控车床1X轴(即横向)托板上镗孔轴2、安装在镗孔轴2端部的数控U轴6及用于支持镗孔轴2的镗孔轴支撑4，镗孔轴2的另一端通过镗孔轴基座7固定在卧式数控车床1X轴托板上。本实施例中，卧式数控车床1选用的是X轴(即横向)、Z轴(即纵向)具有光栅尺位置精度闭环控制的数控车床，且光栅定位精度误差小于0.015mm。在镗孔轴2端部设置数控U轴6—即设置在横向方向上，与卧式数控车床1的Z轴两轴联动，不仅用于中间圆柱形型腔3.1b(即直径为D2)型腔的高效加工，还可以插补加工从前端圆锥形型腔3.1a最小直径D3到中间圆柱形型腔3.1b区间(即前端圆锥形型腔的长度L3)的超深异型曲面回转型腔，结合图1所示。
结合图3所示，数控U轴6包括通过锁紧螺钉5内置在镗孔轴2轴孔2.1端部的数控U轴基座6.2、沿Z轴方向安装在数控U轴基座6.2上的数控U轴托板6.3、安装在数控U轴托板6.3一侧端的直线伺服电机6.4及安装在数控U轴托板6.3另一侧端的数控U轴刀座6.5，以及安装在数控U轴刀座6.5上的刀具6.6，直线伺服电机6.4的驱动电缆6.1穿过数控U轴基座6.2通孔6.7直至驱动电缆6.1穿过镗孔轴2的轴孔2.1与卧式数控车床1的数控系统联接；且数控U轴基座6.2的中心线及数控U轴托板6.3的中心线均与镗孔轴2的轴线共线。
结合图4所示，镗孔轴支撑4包括穿套在镗孔轴2上的支撑环4.3、衬在支撑环4.3与镗孔轴2外缘壁之间的向心推力轴承4.4及穿套在镗孔轴2上且通过螺钉4.5与支撑环4.3连接的轴承端盖4.6，以及多个沿圆周且均匀分布的支撑杆4.1，每个支撑杆4.1的低端插入支撑环4.3的固定孔直至支撑杆4.1的底端面抵在向心推力轴承4.4的表面，每个支撑杆4.1的顶端抵在待检测零件3的中间圆柱形型腔3.1b内壁上，且采用螺纹连接通过锁紧螺母4.2将支撑杆4.1锁紧安装在支撑环4.3上；且支撑环4.3的轴线及向心推力轴承4.4的轴线均与镗孔轴2的轴线共线。因此，镗孔轴支撑4采用向心推力轴承4.4结构安装固定在镗孔轴2前端，将传统的滑动摩擦支撑结构改进为滚动摩擦支撑结构，减少摩擦阻力和磨损。另外，本实施例中，支撑杆4.1采用四个，且四个支撑杆4.1沿圆周均匀分布，直线伺服电机6.4的行程大于(D2-D3)/2，其中，D2为待检测零件3异型曲面回转型腔的中间圆柱形型腔3.1b的直径，D3为待检测零件3异型曲面回转型腔的前端圆锥形型腔3.1a的最小直径；支撑杆4.1的顶端为半球体，半球体的顶点抵在待检测零件3异型曲面回转型腔中间圆柱形型腔3.1b的内壁上；向心推力轴承4.4的轴承孔与镗孔轴2外径保持0.01～0.02mm的过盈配合，保证镗孔轴2在超深异型曲面回转型腔加工过程有良好的结构刚性，避免或减少加工振动。
在镗孔轴2端部设置数控U轴6--即设置在横向方向上，与卧式数控车床1的Z轴两轴联动，解决了传统的深孔加工方法只能加工圆柱体型腔、不能加工异性曲面回转体型腔的问题，克服了整体成形刀具加工切削力十分巨大而无法实现、分段成形刀具加工不能满足加工精度要求且加工效率极低、常规数控加工方法由于镗孔刀杆弹性振动无法加工深度大于1000mm的异性曲面回转体型腔的缺陷。
一种采用上述专用设备加工超深异型曲面回转型腔零件的方法，结合图1所示，其后端圆柱形型腔3.1c直径为D1、中间圆柱形型腔3.1b直径为D2，前端圆锥形型腔3.1a直径为D3，其整体型腔3.1深度为L1，后端圆柱形型腔深度与中间圆柱形型腔深度之和为L2，前端圆锥形型腔深度为L3，结合图1所示包括如下步骤：
1)安装
首先将待检测零件沿X轴方向安装在卧式数控车床上，然后将镗孔轴的前端部插入待检测零件的型腔中，镗孔轴的后端部通过镗孔轴基座安装在卧式数控车床的X轴托板上，且镗孔轴的中前部通过镗孔轴支撑支撑在待检测零件型腔的内壁上；最后将数控U轴安装在镗孔轴的前端部；
2)找正
调整镗孔轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.02mm，镗孔轴与卧式数控车床主轴的中心高误差不大于0.02mm；
调整数控U轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.015mm；
调节镗孔轴支撑的支撑杆与待检测零件中间圆柱形型腔同轴度误差小于0.02mm，且保证单面间隙0.01～0.02mm，以保证转动灵活、支撑可靠。
3)加工
在数控U轴刀座上安装刀具，数控U轴(即横向)与卧式数控车床的Z轴(即纵向)两轴联动，插补加工超深异型曲面的回转型腔。
本发明的加工方法加工精度高，加工误差小于0.02mm；加工表面质量好，无接刀台阶，表糙度小于1.6μm；加工效率高，是传统成型刀加工效率的2～3倍，且加工成本低。该加工方法和专用设备不仅可用于钻地弹整体战斗部零件的加工，也可以用于其他类似产品零件的加工。
实施例1
针对某型号钻地弹整体战斗部超深异型曲面回转型腔零件，其后端圆柱形型腔直径D1为300mm、中间圆柱形型腔直径D2为286mm，前端圆锥形型腔直径D3为120mm，其整体型腔深度L1为2200mm，后端圆柱形型腔深度与中间圆柱形型腔深度之和L2为1780mm，前端圆锥形型腔深度L3为420mm。加工过程如下：
1)安装
首先将待检测零件沿X轴方向安装在卧式数控车床上，然后将镗孔轴的前端部插入待检测零件的型腔中，镗孔轴的后端部通过镗孔轴基座安装在卧式数控车床的X轴托板上，且镗孔轴的中前部通过镗孔轴支撑支撑在待检测零件型腔的内壁上；最后将数控U轴安装在镗孔轴的前端部；数控U轴的直线伺服电机行程大于(D2-D3)/2＝83mm，镗孔轴支撑的轴承孔与镗孔轴外径保持0.01mm的过盈配合；
2)找正
调整镗孔轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.02mm，镗孔轴与卧式数控车床主轴的中心高误差不大于0.02mm；
调整数控U轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.015mm；
调节镗孔轴支撑的支撑杆与待检测零件中间圆柱形型腔同轴度误差小于0.02mm，且保证单面间隙0.01mm，以保证转动灵活、支撑可靠。
3)加工
在数控U轴刀座上安装刀具，数控U轴(即横向)与卧式数控车床的Z轴(即纵向)两轴联动，插补加工超深异型曲面的回转型腔。
实施例2
针对某型号钻地弹整体战斗部超深异型曲面回转型腔零件，其后端圆柱形型腔直径D1为400mm、中间圆柱形型腔直径D2为390mm，前端圆锥形型腔直径D3为220mm，其整体型腔深度L1为2800mm，后端圆柱形型腔深度与中间圆柱形型腔深度之和L2为2234mm，前端圆锥形型腔深度L3为566mm。加工过程如下：
1)安装
首先将待检测零件沿X轴方向安装在卧式数控车床上，然后将镗孔轴的前端部插入待检测零件的型腔中，镗孔轴的后端部通过镗孔轴基座安装在卧式数控车床的X轴托板上，且镗孔轴的中前部通过镗孔轴支撑支撑在待检测零件型腔的内壁上；最后将数控U轴安装在镗孔轴的前端部；数控U轴的直线伺服电机行程大于(D2-D3)/2＝85mm，镗孔轴支撑的轴承孔与镗孔轴外径保持0.02mm的过盈配合；
2)找正
调整镗孔轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.02mm，镗孔轴与卧式数控车床主轴的中心高误差不大于0.02mm；
调整数控U轴与卧式数控车床的Z轴平行度误差不大于0.015mm；
调节镗孔轴支撑的支撑杆与待检测零件中间圆柱形型腔同轴度误差小于0.02mm，且保证单面间隙0.02mm，以保证转动灵活、支撑可靠。
3)加工
在数控U轴刀座上安装刀具，数控U轴(即横向)与卧式数控车床的Z轴(即纵向)两轴联动，插补加工超深异型曲面的回转型腔。

Claims (8)

1.一种超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，包括卧式数控车床(1)；其特征在于：还包括安装在所述卧式数控车床(1)X轴托板上镗孔轴(2)、安装在所述镗孔轴(2)端部的数控U轴(6)及用于支持所述镗孔轴(2)的镗孔轴支撑(4)；
所述数控U轴(6)包括内置在所述镗孔轴(2)轴孔(2.1)端部的数控U轴基座(6.2)、沿Z轴方向安装在所述数控U轴基座(6.2)上的数控U轴托板(6.3)、安装在所述数控U轴托板(6.3)一侧端的直线伺服电机(6.4)及安装在所述数控U轴托板(6.3)另一侧端的数控U轴刀座(6.5)，以及安装在所述数控U轴刀座(6.5)上的刀具(6.63)，所述直线伺服电机(6.4)的驱动电缆(6.1)穿过所述数控U轴基座(6.2)通孔(6.7)直至驱动电缆穿(6.1)过所述镗孔轴(2)的轴孔(2.1)与所述卧式数控车床(1)的数控系统联接；且所述数控U轴基座(6.2)的中心线及所述数控U轴托板(6.3)的中心线均与所述镗孔轴(2)的轴线共线；
所述镗孔轴支撑(4)包括穿套在所述镗孔轴(2)上的支撑环(4.3)、衬在所述支撑环(4.3)与所述镗孔轴(2)外缘壁之间的向心推力轴承(4.4)及穿套在所述镗孔轴(2)上且通过螺钉(4.5)与所述支撑环(4.3)连接的轴承端盖(4.6)，以及多个沿圆周且均匀分布的支撑杆(4.1)，每个所述支撑杆(4.1)的低端插入所述支撑环(4.3)的固定孔直至所述支撑杆(4.1)的底端面抵在所述向心推力轴承(4.4)的表面，每个所述支撑杆(4.1)的顶端抵在所述待检测零件(3)的型腔(301)内壁上，且通过锁紧螺母(4.2)将所述支撑杆(4.1)锁紧安装在所述支撑环(4.3)上；且所述支撑环(4.3)的轴线及所述向心推力轴承(4.4)的轴线均与所述镗孔轴(2)的轴线共线。
2.根据权利要求1所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述支撑杆(4.1)采用四个，且四个所述支撑杆(4.1)沿圆周均匀分布。
3.根据权利要求1所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述直线伺服电机(4.4)的行程大于(D2-D3)/2，其中，D2为待检测零件(3)异型曲面回转型腔的中间圆柱形型腔(3.1b)的直径，D3为待检测零件(3)异型曲面回转型腔的前端圆锥形型腔(3.1a)的最小直径。
4.根据权利要求1或2或3所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述支撑杆(4.1)的顶端为半球体，所述半球体的顶点抵在所述待检测零件(3)异型曲面回转型腔中间圆柱形型腔(3.1b)的内壁上。
5.根据权利要求1或2或3所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述向心推力轴承(4.4)的轴承孔与所述镗孔轴(2)外径保持0.01～0.02mm的过盈配合。
6.根据权利要求1或2或3所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述镗孔轴(2)的另一端通过镗孔轴基座(7)固定在所述卧式数控车床(1)X轴托板上。
7.根据权利要求1或2或3所述超深异型曲面回转型腔零件加工的专用设备，其特征在于：所述卧式数控车床(1)选用的是X轴、Z轴具有光栅尺位置精度闭环控制的数控车床，且光栅定位精度误差小于0.015mm。
8.一种采用如权利要求1所述专用设备加工超深异型曲面回转型腔零件的方法，其特征在于：所述加工方法包括如下步骤：
1)安装
首先将待检测零件(3)沿X轴方向安装在卧式数控车床(1)上，然后将镗孔轴(2)的前端部插入待检测零件(3)的型腔(3.1)中，镗孔轴(2)的后端部通过镗孔轴基座(7)安装在卧式数控车床(1)的X轴托板上，且镗孔轴(2)的中前部通过镗孔轴支撑(4)支撑在待检测零件(3)型腔(3.1)的内壁上；最后将数控U轴(6)安装在镗孔轴(2)的前端部；
2)找正
调整镗孔轴(2)与卧式数控车床(1)的Z轴平行度误差不大于0.02mm，镗孔轴(2)与卧式数控车床(1)主轴的中心高误差不大于0.02mm；
调整数控U轴(6)与卧式数控车床(1)的Z轴平行度误差不大于0.015mm；
调节镗孔轴支撑(4)的支撑杆(4.1)与待检测零件(3)中间圆柱形型腔(3.1b)同轴度误差小于0.02mm，且保证单面间隙0.01～0.02mm；
3)加工
在数控U轴刀座(6.5)上安装刀具(6.6)，数控U轴(6)与卧式数控车床(1)的Z轴两轴联动，插补加工超深异型曲面的回转型腔。
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