CN110064804B - 航空零部件空间角度小孔的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空零部件空间角度小孔的加工方法，采用五轴高速电火花机床进行加工，加工过程中采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换，转化成在五轴高速电火花机床上可操作的加工指令，完成最终尺寸和角度的加工，本发明的航空零部件空间角度小孔的加工方法通过在直角坐标系内做与空间角度小孔轴线相关的平面和直线的方法，通过计算面面之间或线面之间、线线之间的夹角或距离进行坐标投影和单一维度坐标的转换，计算方法简单，实际操作中仅需配合工作转台的旋转和X、Y方向的平移，避免了繁复的计算过程和加工过程，加工质量稳定性有了明显提高，并且有效缩短了加工时间，提高了航空零部件的空间角度小孔的加工效率。

Description

航空零部件空间角度小孔的加工方法

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种航空零部件空间角度小孔的加工方法。

背景技术

在航空发动机领域，许多零部件上有各种位置的空间角度小孔，用来排气、冷却、掺混，并且数目较多，且此种孔角度尺寸复杂、位置特殊，为保证加工质量，确保空位置尺寸合格，传统加工方法有两种：1、采用普通电火花加工，此种方法存在如下几个问题：a、需要采用特制的夹具来保证其位置度要求，但夹具的制作精度要求高，操作步骤繁琐，难以满足加工要求，且夹具需定期送检，增加了加工成本；b、通常待加工孔数目较多，普通电火花加工时间较长，导致加工效率低，难以满足现阶段生产需求。2、采用数控五轴设备进行加工，这种方法虽然能在一定程度上解决部分孔的加工，但存在以下几个问题：a、孔径的多样性决定了数控加工刀具的多样性，对刀具的种类及尺寸要求较多，增加了刀具制造成本；b、对空间小孔中细长孔的加工，要求刀具孔径小而长，因而要求加工刀具刃长且直径小，导致刀具长径比较大，加工时刚性较差，刀具易振刀甚至崩刃，难以保证加工质量；c、空间角度小孔通常分布在薄壁零件上，刀具加工时产生的切削力容易将薄壁零件型面挤变形，不利于零件的加工验收。

发明内容

本发明提供了一种航空零部件空间角度小孔的加工方法，以解决传统空间角度小孔加工方法加工质量低、加工时间长、加工效率不稳定的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种航空零部件空间角度小孔的加工方法，采用五轴高速电火花机床进行加工，加工过程中采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换，转化成在五轴高速电火花机床上可操作的加工指令，完成最终尺寸和角度的加工，

所述采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换包括以下步骤：

S1、根据所述航空零部件的中心及轴向基准面建立直角坐标系，所述航空零部件的中心轴线与轴向基准面的交点设为坐标原点，过所述坐标原点从工作转台到电极主轴的方向为Z坐标轴正方向，X坐标轴为水平的、垂直于所述航空零部件装夹平面的坐标轴，Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，找正所述航空零部件的角向孔，使所述角向孔位于X坐标轴正方向；

S2、过待加工的所述空间角度小孔的轴线作一个平面与XY平面垂直，记为平面一，计算平面一与XZ平面的夹角α，旋转所述工作转台C轴，旋转角度为-α，保证平面一与XZ平面平行，使电极主轴与待加工的所述空间角度小孔所处平面平行，以方便电极主轴摆角度加工，并计算平行状态下所述平面一与XZ平面之间的距离，记为ΔY；

S3、在平面一内过所述空间角度小孔轴线的任意点作与Z坐标轴平行的直线，计算所述直线与所述空间角度小孔的轴线的夹角β，根据实际情况旋转电极主轴，使电极主轴与所述空间角度小孔的轴线平行；

S4、根据加工孔径要求，选定电极直径d，计算所述空间角度小孔的轴线与XY平面交点到YZ平面之间的距离，记为ΔX，保持电极状态不变，选定基准圆进行对刀，基准圆的直径为D，设定对刀点处坐标X＝0，Y＝0，Z＝0，电极对刀时工作转台所在的位置为起始位置，后续需调整工作转台时就在该起始位置进行相应调整；

S5、根据已知条件计算电极需移动的坐标点位，得到X＝ΔX-D/2+d/(2×Sin(90°-β))，Y＝ΔY，Z＝0。

进一步地，所述采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换之前包括：

找正装夹所述航空零部件，使所述航空零部件的中心与所述五轴高速电火花机床的工作转台的中心重合。

进一步地，所述找正装夹所述航空零部件包括以下步骤：将所述航空零部件装夹在五轴高速电火花机床的工作转台上，用百分表打表检查所述航空零部件基准圆的整圈跳动值，并进行微调，保证跳动值不大于所述基准圆的圆度+0.02mm。

进一步地，步骤S1中，所述找正所述航空零部件的角向孔包括以下步骤：

将所述角向孔摆在X坐标轴正方向，将电极主轴B轴顺时针旋转45°，将电极伸入所述角向孔内，沿Y方向对所述角向孔内任意两点分别进行碰触，记录碰触两点时控制面板上显示的工作转台C轴角度数值C1和C2，计算平均值(C1+C2)/2，将电极退出所述角向孔，并将C轴按(C1+C2)/2旋转，此时的角向孔即为找正状态。

进一步地，所述电极直径的选定方法为：确定五轴高速电火花机床的放电间隙，待加工的空间角度小孔的直径与2倍放电间隙值的差值即为电极理论加工直径，根据所述电极理论加工直径选择加工电极的直径。

进一步地，步骤S4中，所述选定基准圆的方法为：以所述航空零部件的零件模型中确定设计轴线基准的圆或者以与设计模型基准圆同轴的圆作为基准圆。

进一步地，所述夹角α为锐角，所述夹角β为锐角。

进一步地，根据步骤S5得到的坐标点位移动电极进行加工，加工时不能移动X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴和C轴。

进一步地，所述空间角度小孔的直径为0.4～5mm。

进一步地，所述空间角度小孔包括通孔和盲孔。

本发明具有以下有益效果：

本发明的航空零部件空间角度小孔的加工方法采用五轴高速电火花机床进行空间角度小孔的加工，通过在直角坐标系内做与空间角度小孔轴线相关的平面和直线的方法，通过计算面面之间或线面之间、线线之间的夹角或距离进行坐标投影和单一维度坐标的转换，计算方法简单，实际操作中仅需配合工作转台的旋转和X、Y方向的平移，避免了繁复的计算过程和加工过程，加工质量稳定性有了明显提高，并且有效缩短了加工时间，提高了航空零部件的空间角度小孔的加工效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的航空零部件空间角度小孔的加工方法的直角坐标系示意图；

图2是图1中平面一的坐标系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

本实施例的航空零部件空间角度小孔的加工方法，采用五轴高速电火花机床进行加工，加工过程中采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换，转化成在五轴高速电火花机床上可操作的加工指令，完成最终尺寸和角度的加工，

采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换包括以下步骤：

S1、根据航空零部件的中心及轴向基准面建立直角坐标系，航空零部件的中心轴线与轴向基准面的交点设为坐标原点，过坐标原点从工作转台到电极主轴的方向为Z坐标轴正方向，X坐标轴为水平的、垂直于航空零部件装夹平面的坐标轴，Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，找正航空零部件的角向孔，使角向孔位于X坐标轴正方向；坐标轴的正方向可以根据右手法则进行确定；

S2、过待加工的空间角度小孔的轴线作一个平面与XY平面垂直，记为平面一，计算平面一与XZ平面的夹角α，旋转工作转台C轴，旋转角度为-α，旋转方向：以视线面向机床，正为工作转台往顺时针方向旋转，负为工作转台往逆时针方向旋转，保证平面一与XZ平面平行，使电极主轴与待加工的空间角度小孔所处平面平行，以方便电极主轴摆角度加工，并计算平行状态下平面一与XZ平面之间的距离，记为ΔY；该步骤根据航空零部件和待加工的空间角度小孔的三维模型进行，直角坐标系建立好之后，在该模型坐标系中，空间角度小孔的轴线为一空间直线，过该直线与XY平面垂直的面是唯一的，该面即为平面一；

S3、在平面一内过空间角度小孔轴线的任意点作与Z坐标轴平行的直线，计算直线与空间角度小孔的轴线的夹角β，根据实际情况旋转电极主轴，使电极主轴与空间角度小孔的轴线平行；旋转方向和角度：以视线看向机床主轴，需顺时针旋转电极主轴则旋转角度为-β，需逆时针旋转电极主轴则旋转角度为β。

S4、根据加工孔径要求，选定电极直径d，计算空间角度小孔的轴线与XY平面交点到YZ平面之间的距离，记为ΔX，保持电极状态不变，选定基准圆进行对刀，基准圆直径为D，设定对刀点处坐标X＝0，Y＝0，Z＝0，电极对刀时工作转台所在的位置为起始位置，后续需调整工作转台时就从该起始位置进行相应调整；电极对刀时工作转台所在的位置为起始位置也就是该位置记为工作转台C轴的0位，后续计算得到的工作转台C轴角度位置为正值时则需顺时针转动工作转台，为负值时则需逆时针转动工作转台。

S5、根据已知条件计算电极需移动的坐标点位，得到X＝ΔX-D/2+d/(2×Sin(90°-β))，Y＝ΔY，Z＝0。由于基准点位的坐标为X＝0，Y＝0，Z＝0，所需移动的坐标点位为待加工的空间角度小孔的坐标点位与基准点位的差值，D为基准圆直径，d为电极直径，ΔX-D/2表示在XY平面上对刀点到待加工空间角度小孔中心在X方向的距离；d/(2×Sin(90°-β))表示在XY平面上对刀点到电极中心的距离，这两个距离叠加起来代表了电极对刀后在XY平面上，电极中心到待加工空间角度小孔中心在X方向上需要平移的值，计算所得的值为正则需向+X方向平移，为负则需要向-X方向平移，Y方向的坐标点位差值即为ΔY，Z方向的坐标点位差值为0。

由于五轴高速电火花机床的电极主轴比较特殊，不能根据加工点位，在空间内任意位置旋转角度、任意移动坐标点位，其加工主轴只能在固定平面内进行逆时针或者顺时针旋转角度，配合工作转台的旋转和X、Y方向平移来完成孔坐标点位的加工。本实施例的加工方法通过在直角坐标系内做与空间角度小孔轴线相关的平面和直线的方法，通过计算面面之间或线面之间、线线之间的夹角或距离进行坐标投影和单一维度坐标的转换，计算方法简单，实际操作中仅需配合工作转台的旋转和X、Y方向的平移，避免了繁复的计算过程和加工过程，加工质量稳定性有了明显提高，并且有效缩短了加工时间，提高了航空零部件的空间角度小孔的加工效率。

采用五轴高速电火花机床对空间角度小孔进行加工，相比于普通电火花机床加工具有以下优点：无需使用专用夹具来保证某些小孔特殊的空间位置尺寸，五轴高速电火花机床可通过机床本身X、Y、Z坐标轴的平移及转台C轴的旋转和电极主轴B轴的旋转，叠加配合使用，来满足各种空间小孔的位置尺寸需求；五轴高速电火花机床加工脉冲放电能量密度比普通电火花机床高，故加工效率远高于普通电火花机床。

采用五轴高速电火花机床对小孔进行加工，相比于数控五轴设备加工具有以下优点：加工小孔的电极制作成本相比于数控刀具低，且孔径尺寸从φ0.4-φ5mm不等，可以满足各种小孔孔径的加工需求；利用电火花加工细长孔，可以通过电极引导来保证加工时电极的刚性，而不会出现数控刀具加工时的振刀现象；电火花加工薄壁件上的小孔时，电极与工件材料不接触，两者之间基本没有宏观机械作用力，不会出现类似零件型面被挤变形现象。

本实施例中，采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换之前包括：

找正装夹航空零部件，使航空零部件的中心与五轴高速电火花机床的工作转台的中心重合。航空零部件的中心与五轴高速电火花机床的工作转台的中心重合，以保证加工出来的空间角度小孔的位置度尺寸满足加工要求，若找正中心不重合，则空间角度小孔加工出来可能会出现零件局部位置被打穿现象，严重的甚至报废。

本实施例中，找正装夹航空零部件包括以下步骤：将航空零部件装夹在五轴高速电火花机床的工作转台上，用百分表打表检查航空零部件基准圆的整圈跳动值，并进行微调，保证跳动值不大于基准圆的圆度+0.02mm。

本实施例中，步骤S1中，找正航空零部件的角向孔包括以下步骤：

将角向孔摆在X坐标轴正方向，将电极主轴B轴顺时针旋转45°，将电极伸入角向孔内，沿Y方向对角向孔内任意两点分别进行碰触，记录碰触两点时控制面板上显示的工作转台C轴角度数值C1和C2，计算平均值(C1+C2)/2，将电极退出角向孔，并将C轴按(C1+C2)/2旋转，此时的角向孔即为找正状态。找正角向孔的目的是为后续做平面一、做投影直线得到夹角α和夹角β提供基准，因此角向孔的找正关系到空间角度小孔的尺寸和角度误差量，本实施例的角向孔找正方法简单可行，提高了操作效率，降低了加工误差，保证了零件加工质量。

本实施例中，电极直径d的选定方法为：确定五轴高速电火花机床的放电间隙，待加工的空间角度小孔的直径与2倍放电间隙值的差值即为电极理论加工直径，根据电极理论加工直径选择加工电极的直径。五轴高速电火花机床的放电间隙一般为0.02～0.05mm，待加工的空间角度小孔的直径允许一定的误差范围，因此选择空间角度小孔的直径的中差值，确定好电极理论加工直径后，对电极理论加工直径小数点后两位进行四舍五入，选取现有电极直径与该值最为接近的即为需要使用的电极。

本实施例中，步骤S4中，选定基准圆的方法为：以航空零部件的零件模型中确定设计轴线基准的圆或者以与零件模型基准圆同轴的圆作为基准圆。基准圆的选定关系到X方向的坐标点位差值，基准圆的选定以便于对刀为准。设计轴线即零件模型的中心线。

本实施例中，夹角α为锐角，夹角β为锐角。以旋转角度较小的一侧的角度计算，因此在计算夹角α和夹角β时，选择较小的夹角可以方便后续工作转台以及电极主轴的旋转操作。

本实施例中，根据步骤S5得到的坐标点位移动电极进行加工，加工时不能移动X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴和C轴。加工过程中X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴以及C轴固定不变，目的是保证电极移动到待加工点位后进行加工时，航空零部件的加工位置固定不变，空间角度小孔加工完后可根据下一步加工需要进行移动。

本实施例中，空间角度小孔的直径为0.4～5mm。空间角度小孔包括通孔和盲孔。本实施例的航空零部件空间角度小孔的加工方法由于采用五轴高速电火花机床进行加工，利用电极产生电火花来加工小孔，可以满足各种小孔孔径的加工需求，利用电火花加工细长孔，可以通过电极引导来保证加工时电极的刚性，而不会出现数控刀具加工时的振刀现象，由于电火花加工薄壁上的小孔时，电极与工件材料不接触，两者之间几乎没有宏观机械作用力，不会出现类似零件型面被挤压变形现象，电火花加工小孔时加工深度可控，因此通孔或盲孔均适用。

当航空零部件上有一系列空间角度小孔需要加工时，根据上述航空零部件空间角度小孔的加工方法加工完一个空间角度小孔后，加工剩余的空间角度小孔时，分以下两种情况：

a、剩余的空间角度小孔与已完成加工的空间角度小孔相对于基准圆圆心成均布关系，则只需计算下一个待加工空间角度小孔的孔中心和与基准圆的圆心的连线与已加工完成的空间角度小孔的孔中心和基准圆的圆心的连线之间的夹角值ω，加工时旋转工作转台C轴，旋转角度为ω，其余要素不变，下电极进行加工，以此类推往下加工，直至整圈空间角度小孔加工完成；通过工作转台的旋转，将每个待加工的空间角度小孔转动到第一个已加工的空间角度小孔的位置保持电极状态一致进行加工即可。

b、剩余的空间角度小孔与已完成加工的空间角度小孔相对于基准圆圆心不成均布关系，则需根据上述加工方法重新进行计算加工。

实施例1

以某型发动机零部件前壁(φ347×126mm，型面壁厚0.8mm)气膜冷却孔加工为例，说明本发明的航空零部件空间角度小孔加工方法在五轴高速电火花机床上的具体实施方式：

零件孔径要求为Φ0.6₀ ^+0.05和五轴高速电火花机床加工放电间隙0.03～0.05，故采用Φ0.55电极进行加工；

1、将零件装夹在五轴高速电火花机床的工作转台上，用百分表打表检查航空零部件基准圆的整圈跳动值，并进行微调，保证跳动值不大于基准圆的圆度+0.02找正装夹零件，使零件中心与工作转台中心重合；

2、建立工作直角坐标系，如图1所示，零件中心轴线(转台中心)与基准面的交点设为坐标原点；过原点从工作转台到电极主轴的方向为Z轴正方向；X坐标为水平的、垂直于工件装夹平面的坐标轴，操作人员面向机床时的右侧为X轴正方向；Y坐标垂直于X、Z坐标轴，根据右手法则来确定。零件轴向基准面即为XY平面，找正零件角向孔，使角向孔位于X轴正方向；

3、过空间角度小孔轴线作平面一与XY平面垂直，如图1所示，计算平面一与XZ平面的夹角α＝59.67°，旋转工作转台，旋转角度为-59.67°，使平面一与XZ平面平行，如图2所示，并计算XZ平面与平面一之间的距离ΔY＝27.97；

4、在平面一内过空间角度小孔的轴线任意一点做与Z坐标轴平行的直线，计算该直线与空间角度小孔轴线的夹角β＝74.5°，如图2所示，旋转电极主轴，旋转角度为-74.5°，即顺时针旋转74.5°，使电极主轴与所述空间角度小孔的轴线平行；

5、空间角度小孔轴线与XY平面交点到YZ平面距离ΔX＝46.25，保持电极状态不变，选定对刀处基准圆直径D＝50.275，电极直径d＝0.55，对完刀后设定X＝0，Y＝0，Z＝0，C＝0；

6、根据已知条件通过公式计算得X＝22.141，Y＝27.97，Z＝0，调整W轴，W轴为电极伸缩的轴，电极移动到待加工位置后，需将加工电极往前伸长，待电极头部离零件表面2～3mm时即可进行加工，下电极进行加工，加工过程中不能移动X、Y、Z、C轴。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

采用五轴高速电火花机床进行加工，加工过程中采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换，转化成在五轴高速电火花机床上可操作的加工指令，完成最终尺寸和角度的加工，

所述采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换包括以下步骤：

S1、根据所述航空零部件的中心及轴向基准面建立直角坐标系，所述航空零部件的中心轴线与轴向基准面的交点设为坐标原点，过所述坐标原点从工作转台到电极主轴的方向为Z坐标轴正方向，X坐标轴为水平的、垂直于航空零部件装夹平面的坐标轴，Y坐标轴垂直于X、Z坐标轴，找正所述航空零部件的角向孔，使所述角向孔位于X坐标轴正方向；

S2、过待加工的所述空间角度小孔的轴线作一个平面与XY平面垂直，记为平面一，计算平面一与XZ平面的夹角α，旋转工作转台C轴，旋转角度为-α，保证平面一与XZ平面平行，使电极主轴与待加工的所述空间角度小孔所处平面平行，以方便电极主轴摆角度加工，并计算平行状态下所述平面一与XZ平面之间的距离，记为ΔY；

S3、在平面一内过所述空间角度小孔的轴线的任意点作与Z坐标轴平行的直线，计算所述直线与所述空间角度小孔的轴线的夹角β，根据实际情况旋转电极主轴，使电极主轴与所述空间角度小孔的轴线平行；

S4、根据加工孔径要求，选定电极直径d，计算所述空间角度小孔的轴线与XY平面交点到YZ平面之间的距离，记为ΔX，保持电极状态不变，选定基准圆进行对刀，基准圆的直径为D，设定对刀点处坐标X＝0，Y＝0，Z＝0，电极对刀时工作转台所在的位置为起始位置，后续需调整工作转台时就在该起始位置进行相应调整；

S5、根据已知条件计算电极需移动的坐标点位，得到X＝ΔX-D/2+d/(2×Sin(90°-β))，Y＝ΔY，Z＝0。

2.根据权利要求1所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述采用坐标投影法进行空间角度小孔尺寸的坐标转换之前包括：

找正装夹所述航空零部件，使所述航空零部件的中心与所述五轴高速电火花机床的工作转台的中心重合。

3.根据权利要求2所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述找正装夹所述航空零部件包括以下步骤：将所述航空零部件装夹在五轴高速电火花机床的工作转台上，用百分表打表检查所述航空零部件基准圆的整圈跳动值，并进行微调，保证跳动值不大于基准圆的圆度+0.02mm。

4.根据权利要求1所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

步骤S1中，所述找正所述航空零部件的角向孔包括以下步骤：

将所述角向孔摆在X坐标轴正方向，将电极主轴B轴顺时针旋转45°，将电极伸入所述角向孔内，沿Y方向对所述角向孔内任意两点分别进行碰触，记录碰触两点时控制面板上显示的工作转台C轴的角度数值C1和C2，计算平均值(C1+C2)/2，将电极退出所述角向孔，并将C轴按(C1+C2)/2旋转，此时的角向孔即为找正状态。

5.根据权利要求1所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述电极直径的选定方法为：确定五轴高速电火花机床的放电间隙，待加工的空间角度小孔的直径与2倍放电间隙值的差值即为电极理论加工直径，根据所述电极理论加工直径选择加工电极的直径。

6.根据权利要求1所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

步骤S4中，所述选定基准圆的方法为：以所述航空零部件的零件模型中确定设计轴线基准的圆或者以与零件模型基准圆同轴的圆作为基准圆。

7.根据权利要求1所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述夹角α为锐角，所述夹角β为锐角。

8.根据权利要求1～7任一项所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

根据步骤S5得到的坐标点位，移动电极进行加工，加工时不能移动X坐标轴、Y坐标轴、Z坐标轴和C轴。

9.根据权利要求1～7任一项所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述空间角度小孔的直径为0.4～5mm。

10.根据权利要求1～7任一项所述的航空零部件空间角度小孔的加工方法，其特征在于，

所述空间角度小孔包括通孔和盲孔。

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