空間斜孔數控加工技術研究

朱靜宇　楊萬輝　岳召啟

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

關鍵詞：空間斜孔 ； 矢量方向；五軸機床；

1 引言：在數控加工中經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系，因此通常用五軸機床來加工。由于裝夾及加工設備既定的加工狀態等條件的限制，使得數控加工不能按照三維的角度進行，必須通過角度變換，轉換成二維問題，以滿足機床特定的加工狀態。

2問題分析

大部分五軸聯動的機床只能實現X軸、Y軸、Z軸的移動加上兩個軸的旋轉形式，斜孔角度中能轉換成與軸向和徑向的角度，而角度轉換成為加工空間斜孔的主要技術難點。取得精確轉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學模型，利用數學的手段計算出所要轉換的角度。第一種方式較為簡單，可以快速解決當前問題，針對不同的斜孔需要建立相對應的模型，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學模型解決空間斜孔加工的問題。

3技術方案

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軸旋轉的五軸聯動機床為例，機床帶有刀劍跟蹤功能，系統為西門子840D，其余形式的五軸聯動機床方法類似，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軸旋轉至斜孔中心線與ZX平面平行，再將刀具在平面內旋轉至與斜孔中心線平行，通過零點偏移旋轉至孔中心進刀點，進而完成對斜孔的加工。

3.1 工作臺及刀軸旋轉

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

3.2 零點轉換

加工坐標系需要轉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，偏移的角度根據機床結構而采用相應變化。

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崩刀及劃傷零件現象，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，即根據零件材料設置每次鉆固定深度，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，通過零點轉換旋轉加工坐標系，按照旋轉后的加工坐標系進行孔的加工，如圖4所示。

4總結

通過角度轉換，可以將空間斜孔問題轉換為數學模型，利用數學方法解決工程化問題，只需給定軸向角度和徑向角度，即可實現任意空間角度的變換和加工，節約了編程時間，提高了生產效率。

參考文獻：

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