CN108581484A - 一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法及加工机床 - Google Patents

Abstract

一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法及加工机床，加工方法采用镗铣复合的方式进行孔的粗镗、半精镗或精镗加工，采用铣磨复合的方式使孔壁质量和网纹规格达到孔的质量要求。加工机床包括具有导轨的工作台，待加工的工件置于导轨上并能够沿导轨进行水平滑动，与工件滑动方向正对的位置安装有能够竖直活动的主轴加工单元；主轴加工单元包括通过轴承支撑在壳体内的公转主轴，公转主轴上开设偏心孔，偏心孔内安装有偏心旋转轴，偏心旋转轴与公转主轴之间设置有夹紧切换装置，偏心旋转轴的中心开孔并安装有电主轴，电主轴的端部能够分别连接多齿铣刀、砂轮和镗刀。本发明能够在一台机床上满足孔的不同加工要求，可加工孔的类型多，加工精度高。

Description

一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法及加工机床

技术领域

本发明属于机械加工领域，涉及一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法及加工机床。

背景技术

通常，孔的内表面是机械类零件的重要加工表面之一，也是零件的关键加工特征之一。在各类机械零件中，带孔零件一般要占零件总数的50％～80％。孔的种类也是多种多样的，有圆柱型孔、圆锥型孔、螺纹型孔以及成型孔等。镗孔具有可扩大孔径、提高精度，减小表面粗糙度等优点，是精密孔加工过程中的重要工艺。机床上的镗孔工艺主要分为粗镗加工、半精镗加工和精镗加工。对于箱体类型零件上的精密装配孔以及发动机缸体零件的缸孔等，针对孔的粗镗、精镗加工采用不同的机床加工，在工件更换机床的过程中会产生重复定位的问题，继而影响孔的加工精度。粗加工过程采用的刀具有单刃镗刀、双刃镗刀等，精加工一般采用单刃镗刀加工，单刃镗刀的刚性差，在切削时容引起振动，刀具磨损较快，生产效率较低。由于镗杆的悬伸距离较大，容易产生振动，切削速度较低，切削用量小，同时刀具为定尺寸刀具，粗镗、半精镗和精镗需要采用不同的镗刀，造成镗孔加工刀具种类多、规格多，使用成本高，而且刀具本身的尺寸精度和形状精度不可避免地对孔的加工精度有重要的影响，特别是异型孔的加工，需要特殊的辅助装置，才能够实现锥孔的镗削，实际加工生产效率非常低，对于高精度锥孔要进行磨削加工，磨床需要配合特殊辅助装置磨削，通用性差，效率低。另外，对于发动机缸孔的加工，为满足所要求的孔壁质量和网纹规格，镗孔后零件还要搬运到专用珩磨机床上对孔壁进行珩磨，延长了加工时间，增加了机床类型和设备的投资规模，给生产实际造成不便。因此迫切需要研发一种新型的机床及工艺来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法及加工机床，能够适应于各种圆柱型孔、锥型孔或者异型孔的粗、精加工。

为了实现上述方法，本发明用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法：采用镗铣复合的方式进行孔的粗镗、半精镗或精镗加工，采用铣磨复合的方式使孔壁质量和网纹规格达到孔的质量要求；其中，镗铣复合的方式通过主轴部件的回转运动配合电主轴驱动多齿铣刀的自转运动，并结合工作台的直线进给运动组成的复合螺旋运动实现；铣磨复合的方式通过主轴部件的回转运动配合电主轴驱动砂轮的自转运动，并结合工作台的直线进给运动组成的复合螺旋运动实现；孔的粗镗、半精镗或精镗加工过程均包括：首先按照孔径的加工要求调整多齿铣刀轴线与公转主轴轴线的径向位移，然后通过锁紧切换装置对二者的相对位置进行固定，多齿铣刀绕多齿铣刀轴线旋转，公转主轴绕公转主轴轴线公转，最后通过工作台的直线进给运动完成镗孔；粗镗、半精镗与精镗加工时多齿铣刀轴线与公转主轴轴线的径向位移调整量不同，多齿铣刀与公转主轴的旋转速度不同，工作台的直线进给速度不同。

在异型孔的加工过程中，将多齿铣刀更换为镗刀并通过电主轴进行驱动，调整镗刀在直线进给时的刀尖运动轨迹为变螺旋线，完成异型孔加工。

在异型孔的磨削加工过程中，将多齿铣刀更换为砂轮并通过电主轴进行驱动，调整砂轮在直线进给磨削时的运动轨迹为变螺旋线，完成孔壁的磨削。

本发明用于孔加工的镗铣珩磨复合加工机床，包括具有导轨的工作台，待加工的工件置于导轨上并能够沿导轨进行水平滑动，与工件滑动方向正对的位置安装有能够竖直活动的主轴加工单元，主轴加工单元由主轴箱支撑；所述的主轴加工单元包括通过轴承支撑在壳体内的公转主轴，公转主轴通过同步带轮连接能够使其绕公转主轴轴线进行旋转的伺服电机，公转主轴上开设偏心孔，偏心孔内通过轴承支撑安装有由伺服旋转驱动电机进行角度调整的偏心旋转轴，偏心旋转轴与公转主轴之间设置有夹紧切换装置，偏心旋转轴的中心开孔并安装有电主轴，电主轴的端部能够分别连接多齿铣刀、砂轮和镗刀。

电主轴的端部通过拉钉锁紧装置分别连接多齿铣刀、砂轮和镗刀。

所述的主轴箱上设置有能够使主轴加工单元竖直活动的导轨。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过镗铣复合主轴的螺旋进刀方式全面实现了孔的镗铣、珩磨等各种工艺，例如，利用配置的多齿铣刀螺旋进给铣削的方式代替了孔传统的粗镗加工与半精镗加工，利用配置的砂轮螺旋进给磨削的方式代替了孔传统的磨削加工和珩磨加工，工序集中。采用本发明的加工方法，对工件仅需进行一次装夹定位就能够完成待加工孔的所有工艺，减少了所需的机床种类，有效解决了传统镗孔过程中刀具切削效率低、刀具通用性差且不能适应于异形孔加工等问题，继而实现孔的高效加工。

进一步的，本发明在异型孔的加工过程中，机床通过复合主轴在线动态调整的方法连续改变刀具的切削半径，异型孔镗削工艺在变螺旋线切削半径发生变化时，依然保证刀尖与中心孔的平齐，能够保证良好的切削性能和寿命，所加工异型孔的锥孔效率高、精度高。

与现有技术相比，本发明的镗铣珩磨复合加工机床可以采用卧式布局，也可以采用立式布局，在实施粗镗、半精镗与精镗加工时，按照孔的加工需求，多齿铣刀轴线与公转主轴轴线的径向位移调整量不同，多齿铣刀与公转主轴的旋转速度不同，工作台的直线进给速度不同。镗刀在工作时配合切削刃取向纠正机构，通过纠正偏心旋转轴与电主轴在加工过程中的相对位置，使刀具的轴线与公转主轴的旋转中心保持平行。本发明能够在一台机床上满足孔的不同加工要求，可加工孔的类型多，加工精度高，减少了机床种类与装夹次数。

附图说明

图1本发明复合加工机床的整体外形示意图；

图2本发明主轴加工单元结构的剖视图；

图3本发明主轴加工单元镗铣、铣磨加工方式示意图；

图4本发明主轴加工单元的异型孔镗削加工方式示意图；

图5本发明针对缸孔加工的方法流程图；

图6本发明针对锥孔加工的方法流程图；

附图中：101-机床；102-工件；103-工作台；104-主轴加工单元；105-主轴箱；201-主轴部件；202-电主轴单元；203-偏心旋转部件；2011-同步带轮；2012-公转主轴；2013-壳体；2014-公转主轴轴线；2021-电主轴；2022-多齿铣刀轴线；2031-夹紧切换装置；2032-伺服旋转驱动电机；2033-偏心旋转轴；204-1.多齿铣刀；204-2.砂轮；204-3.镗刀；204-3a.镗刀切削刃。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

首先确立彼此垂直的三个坐标轴：X轴、Y轴和Z轴，其中，定义X轴的方向为“左-右”方向，Y轴的方向为“前-后”方向，Z轴的方向为“上-下”方向。

参见图1-2，本发明用于孔加工的镗铣珩磨复合加工机床，包括设置在机床101上的工作台103，工件102被置于该工作台103上，工作台能够沿Z向进给，定位夹持工件102；主轴加工单元104，主轴加工单元104定位安装在机床101的主轴箱上，并可在机床101上沿Y向移动，安装主轴箱105的立柱能够在X轴方向直线运动；主轴加工单元104由主轴箱105支撑，并使刀具多齿铣刀204-1、砂轮204-2在工件102的缸孔内沿圆周面旋转。位于工作台103上的工件102的轴线与机床101的Z轴方向平行。主轴加工单元104包括主轴部件106，该主轴部件106被驱动，并绕Z轴进行旋转。该主轴部件106中的电主轴2021的端面安装刀具多齿铣刀204-1、砂轮204-2。主轴箱体105分别能够在X和Y方向，即左-右和竖-直方向上移动，从而使主轴部件201的公转主轴2012的中心线和工件102缸孔的轴线对齐。然后，在这种条件下，偏心旋转部件203旋转特定的角度，使多齿铣刀轴线2022和公转主轴轴线2014的径向距离满足缸孔的粗加工要求，然后，结合主轴部件201的低速旋转和电主轴单元202的高速旋转，工作台102在Z轴上直线运动，完成发动机缸体102缸孔的镗铣粗加工。

粗加工完成以后，偏心旋转部件203旋转特定的角度，切削半径进行定量补偿，在线调整完成以后，结合主轴部件201的低速旋转和电主轴单元202的高速旋转，工作台102在Z轴上直线运动，完成发动机缸体102缸孔的镗铣精加工。偏心旋转部件中的电主轴2021自动更换砂轮204-2，继续进行珩磨加工，补偿在线调整，在线调整完成以后，结合主轴部件201的低速旋转和电主轴单元202的高速旋转，完成缸孔的珩磨加工。

在异型孔的加工过程中，偏心旋转部件中的电主轴2021自动更换镗刀，偏心旋转部件203旋转特定的角度，同时电主轴2021自转一定的角度，使镗刀204-2反向旋转和偏心旋转部件203同样的角度，使电主轴2021刀具中心轴线和公转主轴2012轴线的径向距离满足异型孔变直径内腔的切削加工需求，通过偏心旋转部件203在线调整和电主轴2021在线补偿，使镗刀204-2的刀尖和砂轮204-3的运动轨迹为变螺旋线进给方式，完成异型孔加工。

主轴加工单元104包括由壳体2013支撑的能够在壳体2013内转动的主轴部件201；偏心旋转部件203在公转主轴2012的偏心孔内安装，当夹紧切换装置2031与公转主轴2012锁紧时，偏心旋转部件203公转主轴2012一起转动，当夹紧切换装置2031松开时，偏心旋转部件203驱动安装在其偏心孔的电主轴单元202一起转动；电主轴单元202的电主轴2021轴端安装有多齿铣刀204-1、砂轮204-2或镗刀204-3，通过偏心旋转完成多齿铣刀轴线2022与公转主轴轴线2014径向位置的调整，安装镗刀204-3时，偏心旋转部件203能够驱动安装在其偏心孔的电主轴单元202一起转动；电主轴2021轴端安装多齿铣刀204-1、砂轮204-2或镗刀204-3，同时电主轴2021自转一定的角度，使镗刀刀尖204-2a始终和异型孔中心平齐，通过两个旋转运动的配合实现镗刀的轴线与公转主轴轴线2014径向位置的调整。

在加工单元104中，偏心旋转部件203旋转使的刀具多齿铣刀204-1、砂轮204-2在径向上移至与待加工发动机缸孔直径如Da、Db和Dc相对应的位置。使刀具多齿铣刀204-1、砂轮204-2的径向偏移可被设定为与孔径，如Da、Db和Dc相对应的位置。此外，多齿铣刀204-1，砂轮204-2可在电主轴2021的作用下绕其自身轴线2022旋转，在异型孔的镗削过程中，镗刀切削刃204-3a始终与公转主轴轴线2014平行，则在异型孔的镗削中可使刀具始终保持良好的切削性能，镗削加工完成以后，更换砂轮204-2，进行锥孔变直径连续磨削加工。

本发明用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法包括以下步骤：

主轴部件201的主体由公转主轴2012通过轴承轴向和径向支撑在壳体2013上，公转主轴2012的旋转由同步带轮2011与外部的伺服电机连接驱动，绕其公转轴线旋转。

偏心旋转部件203的主体有与在公转主轴2012偏心孔内固定连接的夹紧切换装置2031，伺服旋转驱动电机2032的定子、伺服旋转驱动电机2032的转子与偏心旋转轴2033连接，偏心旋转轴在通过轴承支撑在公转主轴2012的偏心孔内，伺服旋转驱动电机2032在夹紧切换装置2031的作用下的可驱动偏心旋转轴2033绕其轴心线在公转主轴2012进行转动。

电主轴单元202的主体由电主轴2021和通过拉钉锁紧装置与电主轴202主轴夹紧的多齿铣刀204-1和砂轮204-2组成，多齿铣刀204-1可绕多齿铣刀轴线2022高速旋转。

以铣代镗的粗加工方法，如图3，5所示：

在镗铣加工的过程中，偏心旋转部件203的夹紧切换装置松开，伺服旋转驱动电机2032驱动偏心旋转轴2033发生转动一定的旋转角度，则迫使电主轴单元202的多齿铣刀轴线2022与公转主轴轴线2014的轴线径向位移由D转变为Da，达到孔径加工要求，偏心旋转部件203的夹紧切换装置夹紧，然后多齿铣刀204-1绕其轴线高速旋转，公转主轴2012绕其轴线公转，工作台103驱动工件102沿Z向进给，完成缸孔的镗铣粗加工。

以铣代镗的精加工方法，如图3，5所示：镗铣粗加工的过程属于大切削量进给方式，所加工缸孔仍需要进行精铣加工。偏心旋转部件203的夹紧切换装置松开，伺服旋转驱动电机2032驱动偏心旋转轴2033发生转动一定的旋转角度，则迫使电主轴单元202的多齿铣刀轴线2022与公转主轴轴线2014的轴线径向位移由Da转变为Db，当达到孔径加工要求，偏心旋转部件203的夹紧切换装置夹紧，然后多齿铣刀204-1绕其轴线高速旋转，公转主轴2012绕其轴线公转，工作台103驱动工件102沿Z向进给，完成缸孔的镗铣精加工。

铣磨替代珩磨的加工方法，如图5所示：

缸孔在镗铣精加工完成以后，缸孔需要进一步的珩磨加工，通过机床1在线检测单元，完成发动机缸体102缸孔的在线检测以后，上位机根据所需要的刀具补偿量，更换砂轮204-2且伺服旋转驱动电机2032驱动偏心旋转轴2033发生转动一定的旋转角度，则迫使电主轴单元202的砂轮204-3的中心线与公转主轴轴线2014轴线径向位移由Db转变为Dc，达到孔径的铣磨加工要求，夹紧切换装置2031夹紧，然后砂轮204-2绕其轴线高速旋转，公转主轴2012绕其轴线公转，工作台103驱动工件102沿Z向进给，完成缸孔的珩磨加工。

参见图4，6，本发明针对异型孔中阀体类零件锥孔的加工过程如下：

异型孔中的锥孔在镗削过程中，镗削半径要不断的发生变化，同时刀尖方向要始终和工件中心保持平齐，才能使刀具保持优良的切削性能。锥孔加工过程中，复合主轴加工单元104中的公转主轴2012绕其轴线公转，同时伺服旋转驱动电机2032驱动偏心旋转轴2033发生转动一定的角度，电主轴单元202中的电主轴驱动与其连接的镗刀204-3发生旋转，电主轴反向旋转的角度与伺服旋转驱动电机2032旋转的角度相同，迫使电主轴单元202的多齿铣刀轴线2022与公转主轴轴线2014产生轴线径向位移，同时保证镗刀切削刃204-3a始终和公转主轴中心线2014保持平行，在公转主轴2012旋转，镗刀204-3在偏心旋转轴2033和电主轴单元202的共同作用下，不断的变化切削半径，保证镗刀204-3的刀尖轨迹为变螺旋线运动方式，工作台103驱动阀体类零件沿Z向进给，完成锥孔镗削加工。根据上位机指令自动更换砂轮204-2，主轴加工单元104中的公转主轴2012绕其轴线公转，砂轮204-2在偏心旋转轴2033和电主轴单元202的共同作用下，迫使电主轴单元202的砂轮轴线与公转主轴轴线2014产生轴线径向位移，不断的改变磨削的加工半径，保证砂轮204-2的磨削轨迹为变螺旋线运动，工作台103驱动工件102沿Z向进给，完成锥孔磨削加工。

该机床主体在本发明的具体实施案例中采用卧式机床布局，而这不是对本机床布局方式的一种限定，亦可采用立式机床主体配置本发明主轴加工单元实施本发明的加工路线，凡是采用本发明中所涉及的加工单元及加工方法、加工路线都应属于本发明的保护范畴。

Claims (6)

1.一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法，其特征在于：采用镗铣复合的方式进行孔的粗镗、半精镗或精镗加工，采用铣磨复合的方式使孔壁质量和网纹规格达到孔的质量要求；

其中，所述镗铣复合的方式通过主轴部件(201)的回转运动配合电主轴(2021)驱动多齿铣刀(204-1)的自转运动，并结合工作台(103)的直线进给运动组成的复合螺旋运动实现；铣磨复合的方式通过主轴部件(201)的回转运动配合电主轴(2021)驱动砂轮(204-2)的自转运动，并结合工作台(103)的直线进给运动组成的复合螺旋运动实现；

所述孔的粗镗、半精镗或精镗加工过程均包括：首先按照孔径的加工要求调整多齿铣刀轴线(2022)与公转主轴轴线(2014)的径向位移，然后通过锁紧切换装置(2031)对二者的相对位置进行固定，多齿铣刀(204-1)绕多齿铣刀轴线(2022)旋转，公转主轴(2012)绕公转主轴轴线(2014)公转，最后通过工作台(103)的直线进给运动完成镗孔；粗镗、半精镗与精镗加工时多齿铣刀轴线(2022)与公转主轴轴线(2014)的径向位移调整量不同，多齿铣刀(204-1)与公转主轴(2012)的旋转速度不同，工作台(103)的直线进给速度不同。

2.根据权利要求1所述用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法，其特征在于：在异型孔的加工过程中，将多齿铣刀(204-1)更换为镗刀(204-3)并通过电主轴(2021)进行驱动，调整镗刀(204-2)在直线进给时的刀尖运动轨迹为变螺旋线，完成异型孔加工。

3.根据权利要求1所述用于孔加工的镗铣珩磨复合加工方法，其特征在于：在异型孔的磨削加工过程中，将多齿铣刀(204-1)更换为砂轮(204-2)并通过电主轴(2021)进行驱动，调整砂轮(204-2)在直线进给磨削时的运动轨迹为变螺旋线，完成孔壁的磨削。

4.一种用于孔加工的镗铣珩磨复合加工机床，其特征在于：包括具有导轨的工作台(103)，待加工的工件(102)置于导轨上并能够沿导轨进行水平滑动，与工件(102)滑动方向正对的位置安装有能够竖直活动的主轴加工单元(104)，主轴加工单元(104)由主轴箱(105)支撑；所述的主轴加工单元(104)包括通过轴承支撑在壳体(2013)内的公转主轴(2012)，公转主轴(2012)通过同步带轮(2011)连接能够使其绕公转主轴轴线(2014)进行旋转的伺服电机，公转主轴(2012)上开设偏心孔，偏心孔内通过轴承支撑安装有由伺服旋转驱动电机(2032)进行角度调整的偏心旋转轴(2033)，偏心旋转轴(2033)与公转主轴(2012)之间设置有夹紧切换装置(2031)，偏心旋转轴(2033)的中心开孔并安装有电主轴(2021)，电主轴(2021)的端部能够分别连接多齿铣刀(204-1)、砂轮(204-2)和镗刀(204-3)。

5.根据权利要求4所述用于孔加工的镗铣珩磨复合加工机床，其特征在于：电主轴(2021)的端部通过拉钉锁紧装置分别连接多齿铣刀(204-1)、砂轮(204-2)和镗刀(204-3)。

6.根据权利要求4所述用于孔加工的镗铣珩磨复合加工机床，其特征在于：所述的主轴箱(105)上设置有能够使主轴加工单元(104)竖直活动的导轨。