空間斜孔數(shù)控加工技術(shù)研究

朱靜宇　楊萬輝　岳召啟

摘 要：空間斜孔在數(shù)控加工中廣泛存在，由于其矢量方向與X、Y、Z軸均存在角度關(guān)系，給加工帶來較大困難，本文以某零件斜孔為例，利用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)斜孔的矢量方向與機床加工坐標系的角度轉(zhuǎn)換，通過五軸機床完成空間斜孔的加工。

關(guān)鍵詞：空間斜孔 ； 矢量方向；五軸機床；

1 引言：在數(shù)控加工中經(jīng)常會遇到空間斜孔的加工問題，由于其角度與各坐標軸均存在角度關(guān)系，因此通常用五軸機床來加工。由于裝夾及加工設(shè)備既定的加工狀態(tài)等條件的限制，使得數(shù)控加工不能按照三維的角度進行，必須通過角度變換，轉(zhuǎn)換成二維問題，以滿足機床特定的加工狀態(tài)。

2問題分析

大部分五軸聯(lián)動的機床只能實現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸的移動加上兩個軸的旋轉(zhuǎn)形式，斜孔角度中能轉(zhuǎn)換成與軸向和徑向的角度，而角度轉(zhuǎn)換成為加工空間斜孔的主要技術(shù)難點。取得精確轉(zhuǎn)換角度的方式有兩種：一是通過三維建模，在三維模型中直接量取斜孔矢量方向與加工坐標系間的角度，二是將問題抽象成數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)的手段計算出所要轉(zhuǎn)換的角度。第一種方式較為簡單，可以快速解決當(dāng)前問題，針對不同的斜孔需要建立相對應(yīng)的模型，不具備通用性，第二種方法是通用的解決方式，可以解決所有空間斜孔的角度轉(zhuǎn)換問題，不受建模和不同零件的限制，一勞永逸。

本文主要闡述第二種方法即如何通過數(shù)學(xué)模型解決空間斜孔加工的問題。

3技術(shù)方案

以某零件空間斜孔為例，其空間角度如圖1所示，斜孔與零件軸向成δ°，徑向成θ°（已知條件，均可換算為銳角），以采用X軸、Y軸、Z軸的移動，B軸擺動，C軸旋轉(zhuǎn)的五軸聯(lián)動機床為例，機床帶有刀劍跟蹤功能，系統(tǒng)為西門子840D，其余形式的五軸聯(lián)動機床方法類似，只是機床固有的加工坐標系不同，通過坐標變化即可。首先保持主軸不動，將零件繞Z軸旋轉(zhuǎn)至斜孔中心線與ZX平面平行，再將刀具在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)至與斜孔中心線平行，通過零點偏移旋轉(zhuǎn)至孔中心進刀點，進而完成對斜孔的加工。

3.1 工作臺及刀軸旋轉(zhuǎn)

將零件裝夾到旋轉(zhuǎn)工作臺上，零件回轉(zhuǎn)中心與工作臺回轉(zhuǎn)中心重合，零件斜孔沿工作臺X軸正向，旋轉(zhuǎn)工作臺將零件旋轉(zhuǎn)到斜孔中心線至與ZX平面平行，旋轉(zhuǎn)角度為α，在平面內(nèi)刀軸旋轉(zhuǎn)到與斜孔中心線平行，旋轉(zhuǎn)角度為β，即為斜孔的矢量方向，其抽象的數(shù)學(xué)模型如圖2所示

3.2 零點轉(zhuǎn)換

加工坐標系需要轉(zhuǎn)換到和斜孔的矢量方向一致，零點偏移是相對初始加工坐標系的偏移，加工坐標系旋轉(zhuǎn)的角度即為與初始坐標系的夾角，由于本文采用的是B軸擺動機床，零點偏移需要ROTY，其旋轉(zhuǎn)角度和刀軸擺動角度一致，也為β角，對于其他形式的機床，偏移的角度根據(jù)機床結(jié)構(gòu)而采用相應(yīng)變化。

3.3 鉆孔

由于斜孔與零件表面形成的凹陷有一定深度，因此不能直接鉆孔，如圖3所示，鉆孔前需要锪平面，采用比孔徑小的端銑刀锪平面，以防止刀具打滑出現(xiàn)崩刀及劃傷零件現(xiàn)象，锪平面深度為：2r*cos（90-β），r為孔的半徑，锪平面采用螺旋遞進式方式。鉆孔適宜采用定點抬刀的斷屑鉆削，即根據(jù)零件材料設(shè)置每次鉆固定深度，本零件材料為TC17鈦合金，且孔直徑為φ2，孔深為13mm，主軸轉(zhuǎn)速為300r/min，鉆孔進給為50mm/min，每次鉆孔深度為0.1，安全平面為5mm，每鉆0.1深后抬刀到安全平面，直至鉆到13mm，如果孔為非圓孔，需采用比孔直徑更小的刀具采用輪廓銑的方式實現(xiàn)孔的加工。

3.4 加工過程

零件裝夾找正后到初始位置，工作臺旋轉(zhuǎn)α角，使孔中心線與機床主軸同平面，刀軸擺動β角使主軸與斜孔中心線平行，將刀尖移動到斜孔加工位置，通過零點轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)加工坐標系，按照旋轉(zhuǎn)后的加工坐標系進行孔的加工，如圖4所示。

4總結(jié)

通過角度轉(zhuǎn)換，可以將空間斜孔問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)方法解決工程化問題，只需給定軸向角度和徑向角度，即可實現(xiàn)任意空間角度的變換和加工，節(jié)約了編程時間，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻：

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[2]閻可明. 空間斜孔的加工和檢測 [J]. 機械工程師. 2003 （06）