CN109991920A - 适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工件加工制造领域，公开了一种适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法及控制系统，按控照工艺要求编制机加工代码程序并识别出其中的钻孔指令，分析钻孔指令完成的功能，然后将正弦波与与钻孔路径相结合，形成正弦动力钻孔曲线，在正弦动力钻孔曲线上取若干特征点形成钻孔路径，将钻孔路径用直线进给(直线插补指令G01)的方式表达出来后，替换原有钻孔指令，最后使用替换后的机加工代码进行加工。本发明较原有钻孔加工方法效率高、刀具磨损小、断屑效果好、待加工零件表面质量好，有效解决了韧性金属材料钻孔加工时断屑难以及断屑难造成的刀具寿命差、待加工零件表面磨损严重的问题。

Description

适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法及控制系统

技术领域

本发明属于工件加工制造领域，尤其涉及一种适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法及控制系统。

背景技术

在实际的韧性金属材料钻孔加工过程中，由于材料较高的韧性导致其产生的切屑较长且难以切断，增大了切削力，进而导致刀具磨破损严重、工件成型面质量差等问题。在断屑理论研究的指导下，相关人士研究出多种断屑方法，其中已被广泛采用的有两种：一种是钻孔指令G73，每次钻孔一定深度后抬刀一小段距离；另一种是钻孔指令G83，每次钻孔一定深度后，都要退刀到工件表面的安全距离。这两种方法虽然有利于断屑，但对于加工质量和刀具寿命的提升十分有限。另外还有包括黄文、杜云芝教授在内多位学者从钻头本身出发研究有利于断屑的刀具设计方法，但这些方法仍处于研究阶段。

综上所述，现有韧性金属材料加工中因断屑困难而在成的排屑难、散热性差、刀具寿命低、工件成型表面质量差、钻孔效率低等问题仍是一大难题。现有缓解这个问题的方法不能同时兼顾效率和质量，在重视质量的情况下，效率严重下滑。

本发明提出的钻削方法，可以在达到同等加工质量且不增加设备的情况下，与G83钻孔方法相对比，可以将加工效率提升五倍以上，刀具寿命提升两倍以上，实现了钻孔加工过程中的降本增效。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法。

本发明是这样实现的，一种适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法包括：

编制机加工代码程序并识别出机加工中的钻孔指令并进行分析钻孔指令执行状况；

将正弦波与与钻孔路径相结合，形成正弦动力钻孔曲线，在正弦动力钻孔曲线上取若干特征点形成钻孔路径，将钻孔路径用直线进给的方式进行表达，替换原有钻孔指令；

使用替换后的机加工代码进行加工。

进一步，所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法具体包括：

步骤一，按照工艺要求编制机加工代码；

步骤二，识别出机加工代码中的钻孔指令，钻孔指令包含G81、G82、G73、G83；

步骤三，建立正弦特征点并设定正弦特征点，特征点参数包括振幅a、初相ψ、角速度ω、特征点个数n；

步骤四，钻孔指令中的钻孔深度进行直线进给，叠加正弦特征点，形成正弦钻孔路径；

步骤五，进行试验调参，使用待测试的参数调整正弦钻孔路径；用正弦钻孔路径替换原有钻孔指令，形成机加工代码，输出到机床进行试加工；

步骤六，利用参数调整机代码，输出到机床加工。

进一步，所述步骤三中建立正弦特征点的具体方法为：

(1)建立正弦曲线y＝asin(ωt+ψ)，对应正弦曲线的导函数为

(2)在正弦曲线上等间距取n个特征点，每个特征点的点位坐标为其中i＝0,1，…，n-1，表示一个周期内第i个特征点；

(3)每个正选特征点对应的速度变化为

进一步，步骤四具体方法为：

(1)对钻指定深度的孔、钻孔后判断钻头回到工件表面的参考平面R还是回到初始表面B钻孔指令进行分析；

(2)从钻孔指令中提取钻孔初始位置Z0、钻孔深度Ze以及钻孔进给速度F，用直线进给方式进行模拟，将钻孔过程抽象为s＝Ft；

(3)指定一个正弦波与钻孔深度的对应关系d，d表示钻深d毫米时，经历一个正弦波的周期分为n个点，每个点之间经历的时间长度叠加后的钻孔路径变为对应路径上特征点的进给速度为

其中，试验参数固定正弦波相位为ψ，调整正弦波振幅为a；

(4)进给速度不超出进给速度限制Fm，若F不满足要求，则将F修正为

(5)将钻孔路径sⁱ上的点用直线插补指令连接，任何一个特征点的切入深度不超过Ze，如果超过Ze的特征点，则此特征点的位置被修正为Ze，且后续特征点被忽略；特征点i对应的指令为：

(6)用直线插补指令分析判断钻头回到工件表面的参考平面R还是回到初始表面B。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔设备的韧性金属材料钻孔加工的生产线。

本发明通过调整加工过程中的进给速度，使得切屑容易有规则的脱落，减少了切削对刀具和工件表面的磨损。综上所述，本发明能够有效解决韧性金属材料钻孔加工中的断屑问题；钻孔效率高、刀具寿命长、加工表面质量好；不要求有新的硬件投入，方法使用条件低。该加工方法已经在西安万威机械制造股份有限公司的工厂推广使用，将钻孔加工的效率提升了五倍以上。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法流程图。

图2是本发明实施例提供的加工案例的钻孔加工机代码。

图3是本发明实施例提供的正弦动力钻孔方法在案例中使用最佳参数的钻头刀尖位置变化曲线。

图4是本发明实施例提供的正弦动力钻孔方法加工效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有韧性材料钻孔加工中刀具寿命低、工件成型表面质量差。

现有技术中，韧性金属材料钻孔加工中存在断屑问题；钻孔效率低；要求有新的硬件投入，造成使用条件过高。

为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法包括以下步骤：

S101：按照工艺要求编制机加工代码；

S102：识别出机加工代码中的钻孔指令，钻孔指令包含G81、G82、G73、G83；

S103：建立正弦特征点并设定正弦特征点，特征点参数包括振幅a、初相ψ、角速度ω、特征点个数n；

S104：将钻孔指令实现的钻孔深度视为直线进给，叠加正弦特征点，形成正弦钻孔路径；

S105：进行试验调参，调参过程中，需要使用待测试的参数调整正弦钻孔路径，然后用正弦钻孔路径替换原有钻孔指令，形成机加工代码，输出到机床进行试加工；

S106：按照试验结果中效果最好的参数调整机代码，输出到机床加工。

步骤S103中建立正弦特征点的具体方法为：

(1)建立正弦曲线y＝asin(ωt+ψ)，对应正弦曲线的导函数为

(2)在正弦曲线上等间距取n个特征点，每个特征点的点位坐标为其中i＝0,1，…，n-1，表示一个周期内第i个特征点。

(3)每个正选特征点对应的速度变化为

步骤S104中形成正弦钻孔路径的具体方法为：

(1)分析钻孔指令实现的功能，钻孔指令实现的功能包含两个，第一个是钻指定深度的孔，第二个是钻孔后判断钻头回到工件表面的参考平面R还是回到初始表面B。其中第二个功能在机加工的控制代码为：G99指令控制回到R，G98指令控制回到B。

(2)从钻孔指令实现的第一个功能中提取钻孔初始位置Z0、钻孔深度Ze以及钻孔进给速度F，用直线进给来模拟实现原有功能，将钻孔实现过程抽象为s＝Ft。

(3)指定一个正弦波与钻孔深度的对应关系d，d表示钻深d毫米时，经历一个正弦波周期，将该周期分为n个点，每个点之间经历的时间长度则叠加后的钻孔路径变为对应路径上特征点的进给速度为需要注意的是，进给速度的方向是由特征点的相对位置决定的，进给速度并不会出现负值。

(4)为了保证叠加正弦特征点后，进给速度不会超出进给速度限制Fm，要求若F不满足要求，则需要将F修正为

(5)将钻孔路径sⁱ上的点用直线插补指令连接起来，此过程中任何一个特征点的切入深度都不能超过Ze，如果发现有超过Ze的特征点，则此特征点的位置被修正为Ze，且后续特征点被忽略。特征点i对应的指令为：

(6)用直线插补指令实现钻孔指令的第二个功能。

本发明提供一种实施所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔控制系统。

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行进一步说明。

实施例：

案例环境：设备型号：宝鸡EHV850B立式加工中心。

试验材料：40Cr锻件。

装夹方式：平口钳夹紧。

刀柄规格：BT40-HC08-85(英格)。

钻头规格：D7*80*130*D8N(定制)。

冷却方式：水溶性冷却液外冷。

钻孔方式：钻深孔前预钻5mm深引导孔或定心钻点钻2mm深。

图2为根据工艺加工要求编制好的钻孔加工代码，从编制好的机加工代码中识别出第八行的钻孔指令：G83G98X0.0Y0.0Z-55.R3.Q3.F430.。

建立正弦钻孔路径，首先分析出钻孔指令实现的功能为从机床坐标(0，0，3)开始，钻深度为55的孔，然后钻头返回机床坐标(0，0，3)，参考平面R距离工件表面3mm。然后建立正弦钻孔路径其中F＝430，根据所使用工具与加工材料指定钻孔速度限制Fm＝430。

进行调参，参数包括正弦波振幅a、对应关系d，特征点个数n，默认参数为ψ＝π。

根据调参时所给出的参数，为保证进给速度不会超出限定，验证F是否满足若不满足，调整F为

根据上述分析结果，进行试验调参，其内容如下：

经过试验后发现，第二组参数钻孔时间相对较短，加工质量和刀具寿命都得到了提升，因此选择参数为a＝1，d＝14，n＝12，并使用此参数调整图2中的机加工代码，然后进行加工。加工过程中，刀尖的位置与时间关系见图3，加工完成后，加工孔的表面效果图见图4。

本发明提供的用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法采用的技术方案是：按工艺要求编制机加工代码。然后对其中的钻孔指令进行替换，使用正弦动力钻孔方法实现原有钻孔的指令的功能。然后使用替换后的机加工代码执行加工操作，从使工件加工表面质量和刀具使用寿命得到提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法，其特征在于，所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法包括：

编制机加工代码程序并识别出机加工中的钻孔指令并进行分析钻孔指令执行状况；

将正弦波与与钻孔路径相结合，形成正弦动力钻孔曲线，在正弦动力钻孔曲线上取若干特征点形成钻孔路径，将钻孔路径用直线进给的方式进行表达，替换原有钻孔指令；

使用替换后的机加工代码进行加工。

2.如权利要求1所述的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法，其特征在于，所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法具体包括：

步骤一，按照工艺要求编制机加工代码；

步骤二，识别出机加工代码中的钻孔指令，钻孔指令包含G81、G82、G73、G83；

步骤三，建立正弦特征点并设定正弦特征点，特征点参数包括振幅a、初相ψ、角速度ω、特征点个数n；

步骤四，钻孔指令中的钻孔深度进行直线进给，叠加正弦特征点，形成正弦钻孔路径；

步骤五，进行试验调参，使用待测试的参数调整正弦钻孔路径；用正弦钻孔路径替换原有钻孔指令，形成机加工代码，输出到机床进行试加工；

步骤六，利用参数调整机代码，输出到机床加工。

3.如权利要求2所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法，其特征在于，所述步骤三中建立正弦特征点的具体方法为：

(1)建立正弦曲线y＝a sin(ωt+ψ)，对应正弦曲线的导函数为

(2)在正弦曲线上等间距取n个特征点，每个特征点的点位坐标为其中i＝0,1，…，n-1，表示一个周期内第i个特征点；

(3)每个正选特征点对应的速度变化为

4.如权利要求2所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法，其特征在于，步骤四具体方法为：

(1)对钻指定深度的孔、钻孔后判断钻头回到工件表面的参考平面R还是回到初始表面B钻孔指令进行分析；

(2)从钻孔指令中提取钻孔初始位置Z0、钻孔深度Ze以及钻孔进给速度F，用直线进给方式进行模拟，将钻孔过程抽象为s＝Ft；

(3)指定一个正弦波与钻孔深度的对应关系d，d表示钻深d毫米时，经历一个正弦波的周期分为n个点，每个点之间经历的时间长度叠加后的钻孔路径变为对应路径上特征点的进给速度为

其中，试验参数固定正弦波相位为ψ，调整正弦波振幅为a；

(4)进给速度不超出进给速度限制Fm，若F不满足要求，则将F修正为

(5)将钻孔路径s_i上的点用直线插补指令连接，任何一个特征点的切入深度不超过Ze，如果超过Ze的特征点，则此特征点的位置被修正为Ze，且后续特征点被忽略；特征点i对应的指令为：

(6)用直线插补指令分析判断钻头回到工件表面的参考平面R还是回到初始表面B。

5.一种实施权利要求1～4任意一项所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔控制系统。

6.一种实施权利要求1～4任意一项所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔方法的适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔设备。

7.一种安装有权利要求6所述适用于韧性金属材料加工的正弦动力钻孔设备的韧性金属材料钻孔加工的生产线。