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雙（shuāng）頭深孔槍鑽（zuàn）控製模型研究

2017-3-30 來源：湖北大學計算機與信息工程（chéng）學院作者：胡東紅（hóng），劉（liú）景源，張玲（líng），王平江

摘要: 根據工件所需鑽孔的總排（pái）數、每一排的總（zǒng）孔數以及相鄰排之間的距離，按照最優的加工模式，自（zì）動確定雙頭鑽之（zhī）間距離，自動確（què）定鑽孔模式，並自動生成 G 代碼加（jiā）工程序。提高鑽孔加工效率（lǜ）而且（qiě）避免用戶繁雜的 G 代碼程序編寫和調（diào）試過程。

關鍵詞: 雙頭鑽; 深孔槍鑽; 鑽床; 數控中圖分（fèn）類號: TP391 文獻（xiàn）標誌碼（mǎ）: A 文章（zhāng）編號: 1671—3133( 2016) 03—0037—04

0.引言

鑽削直徑較小、深度較大的孔，尤其是在鋼件材料上鑽深孔（kǒng）、小孔（kǒng）時，通（tōng）常存在鑽屑排除困難、刀具冷卻困難以及鑽孔軸線易歪斜等問題［1］。能（néng）否妥善解決這些問題，直（zhí）接（jiē）關係到深孔（kǒng）、小孔加工的質量、生產（chǎn）效率（lǜ）、加工精（jīng）度和刀具熱變形等，若處理不當，甚至可能使（shǐ）加工無法正（zhèng）常進行（háng）［2-3］。對此類深孔、小孔問題，槍鑽是一個非常有效的解決方法［4-5］，其主要特點是（shì）鑽（zuàn）頭中（zhōng）空細（xì）長，高壓鑽削油通過鑽頭（tóu）中空（kōng）管向鑽（zuàn）頭高速（sù）噴出，從而攜帶鑽屑從（cóng）槍鑽的排屑槽向外噴出。深孔槍鑽無需（xū）通過反複（fù）拔出鑽頭的方式進行排屑，相對於麻花鑽有著無可比擬的優勢［6］，從而提高了加工（gōng）工效。此外（wài），深孔槍鑽還采用鑽頭保護套，避免鑽頭（tóu）歪（wāi）斜。目前深孔槍鑽廣泛應用（yòng）於汽車（chē）、模具、印刷機械、包裝機械、食（shí）品機械和航空航天等裝備製造領域的（de）機械加工（gōng）中［1］。此外，一些較複雜的工件排孔數很多，往（wǎng）往有幾萬個孔需要鑽削，如（rú）果采用單（dān）頭深孔槍鑽，加工一個（gè）工件往往（wǎng）需要晝（zhòu）夜 24 小時（shí）連續（xù）加工半個月左右。

雙頭深孔槍鑽的優勢（shì）在於可以用兩個鑽頭同時對工件進（jìn）行（háng）鑽削加工，理論上講，可以節省加工時（shí）、提高加工工效近 50% 。但是，雙頭（tóu）深孔槍（qiāng）鑽編程較為複雜，需（xū）要確定（dìng）鑽孔模式。如果工件（jiàn）類型改變，排孔數發生變化，則需要重新進行編程、調試。用戶使（shǐ）用起來（lái）較為（wéi）麻（má）煩，因此，本文提出了雙頭（tóu）深孔槍鑽的最優（yōu）加工模式，可以根據工件的總排數、每排（pái）的孔數以及排（pái）間距等相關（guān）參數（shù）自動生成最優加（jiā）工模式的（de） G 代碼程序。從而極大地簡化用戶的編程和調試（shì）。

1.問題描述

1.1 雙頭深孔槍鑽鑽床（chuáng）的主要結構

數控雙頭深（shēn）孔槍鑽主要部件（jiàn）結構示意圖如圖 1 所示。左鑽頭和右鑽頭之間的距（jù）離可以通過手工調節後，保持固定（dìng）。當（dāng）左右鑽頭同時沿 X 軸方向移動時（shí），可以分別同時對（duì）準圓筒工件上的兩（liǎng）排孔; 當工件繞 C 軸旋轉時，左右鑽頭可以分別對準圓筒（tǒng）工件上位於同一列的兩排孔; 當左右鑽頭（tóu）同時沿 Z 軸移動時，左右（yòu）鑽頭可以（yǐ）對圓筒工件上位於同一列的兩排孔進行鑽孔。

圖 1 雙頭深孔槍鑽主要部件（jiàn）結構示意圖

1． 2 最優化鑽孔模式要求

最優的雙頭深孔槍鑽鑽孔模式應該是: 盡量采（cǎi）用雙鑽模式進行（háng）鑽孔，即左右鑽頭同時鑽孔，以提高加工效率。若實在無法采用雙鑽模式（shì）鑽孔的孔位，采用單鑽模式鑽孔，即隻用左鑽頭或隻用（yòng）右鑽頭鑽孔，因此，如何根據工件的總排數、每一排的總孔數以及排（pái）間距，自動確（què）定左右鑽頭之間的距離，確定（dìng）哪（nǎ）些排孔采用雙鑽模式，哪些排孔采用單鑽模式，是雙頭深孔槍鑽實現自動最優化鑽孔模式的關鍵所在。

2.雙頭深孔槍鑽最優鑽孔模式分析

一個圓筒工件及其展開後的（de）排序號和孔序號示意圖如圖（tú） 2 所示。由於奇（qí）數排的孔和偶數（shù）排的（de）孔沿 X軸線方向不在一條（tiáo）直線上，且（qiě）相互錯位半個孔間距，因此，左（zuǒ）鑽頭和右鑽頭無法分別鑽奇數排的孔和偶數（shù）排的孔（kǒng）。左鑽頭（tóu）和右鑽頭隻能同時鑽奇數（shù）排的孔，或者同時鑽偶數排的孔。

如圖（tú） 3 所示為工件總排數為 8 排時的鑽孔模式。如果工件的總排數為 8 排，顯然，最合理的（de）鑽孔模式是左鑽頭和右鑽頭的間距為孔的排間距的（de） 4 倍最為合理。這樣，左鑽頭對準第 1 排時，右鑽頭（tóu）對（duì）準第 5 排。在左（zuǒ）右鑽頭同時完成對第 1 排和第 5 排（pái）的全部鑽孔之後，左右鑽頭分別對準第 2 排和第 6 排，同時完成（chéng）第 2排和（hé）第 6 排的全部鑽（zuàn）孔。同理，左右（yòu）鑽頭可以同時（shí）完成第 3、7 排，第 4、8 排（pái）的全部鑽孔。可以將（jiāng）該（gāi）過程描述為: 用雙鑽模式，第 1 輪（lún）完成對第 1、5 排的鑽孔（kǒng）; 第2 輪完成對第（dì） 2、6 排的鑽孔; 第 3 輪完成（chéng）對第 3、7 排的鑽（zuàn）孔; 第 4 輪完成對第 4、8 排的鑽孔。一共進（jìn）行 4輪鑽（zuàn）孔，所花時間相當於鑽 4 排孔的時間。

圖 2 圓筒工件展開後的（de）排序號和孔序號示意圖

圖 3 工（gōng）件總（zǒng）排數為 8 排時的鑽孔模式

如果工件的總排數為 9 排時，顯然，最（zuì）合理的鑽（zuàn）孔模式是: 按照總排數為 8 排的模式，完（wán）成對 8 排孔的（de）鑽孔之後，拆掉（diào）一個鑽頭，用剩下的一個鑽（zuàn）頭進（jìn）行第 5 輪鑽孔（kǒng），完（wán）成對第 9 排全部孔的鑽孔（kǒng）。一共進行 5 輪鑽孔，所花時間相（xiàng）當於鑽 5 排孔的時間。

如果（guǒ）工件的總排數為 10 排，顯然，最合理的鑽孔模（mó）式是: 按照總排數為 8 排的模式，完成（chéng）對 8 排孔的鑽孔之後，拆掉一個鑽頭，用剩下的一個（gè）鑽頭進行第 5輪、第 6 輪鑽孔，完成對第 9、10 排全（quán）部孔的鑽孔。一共進行 6 輪鑽孔，所花時間相當於鑽 6 排孔的時間。

但是，當工件的總排數為 11 排時，如果仍然按照總（zǒng）排數為 8 排的模式，完成對（duì） 8 排孔的鑽孔之後，拆掉一個鑽頭，用剩下的一個鑽頭進行第（dì） 5、6、7 輪鑽孔，完成對第 9、10、11 排全部孔的鑽孔。這樣（yàng）一共進行 7 輪鑽孔，所花（huā）時（shí）間相當於（yú）鑽 7 排孔的時間。事實（shí）上，當工件的總排數為 11 排時，最合理的鑽孔模（mó）式是: 左右鑽頭的間距設定（dìng）為孔的排間距的 6 倍，圖 4 所示為工件總排數為 11 排時的最優鑽孔模式。這樣，左鑽頭對準第 1 排時，右鑽頭對準第 7 排（pái）。鑽孔過程可以描述為:用雙鑽模式，第 1 輪完成對第 1、7 排鑽孔; 第 2 輪完成（chéng）對第 2、8 排鑽孔; 第 3 輪完（wán）成（chéng）對第 3、9 排鑽孔; 第 4 輪完成對第 4、10 排鑽孔; 第 5 輪完成對第（dì） 5、11 排鑽孔;第 6 輪（lún）拆掉一個鑽頭，用一個（gè）鑽頭采用（yòng）單（dān）鑽模式完成對（duì）第 6 排的鑽孔。這樣一共進行（háng） 6 輪鑽孔（kǒng），所花時間相當於鑽 6 排孔的時間。

圖 4 工件總排數為 11 排時的（de）最優鑽孔模（mó）式

從上述分析可以看出，工件總排數為 4 的整數倍，即 4n( n = 1，2，…) 時，左右（yòu）鑽頭的間距應（yīng）該為排間距的 2n 倍。一共進行 2n 輪雙鑽模式鑽孔。總排數為4n 時的最優鑽孔模式如表 1 所示。

表 1 總排數為 4n 時（shí）的最優鑽孔模式

工（gōng）件總排數為 4 的整（zhěng）數倍餘 1，即（jí） 4n + 1，( n = 1，2，3，…) 時，左右鑽頭的（de）間（jiān）距應該為排間距的 2n 倍，鑽孔的輪次數（shù） 2n + 1 輪（lún）次。其中 2n 輪次為雙鑽模式，1 輪次為單鑽模式，總排數為 4n + 1 時的最優鑽孔模式如表 2 所（suǒ）示。

表 2 總排數為 4n + 1 時的最優鑽孔模式

工件總排數為 4 的整數倍餘 2，即 4n + 2，( n = 1，2，3，…) 時，左右鑽頭的間（jiān）距（jù）應該為排（pái）間距的 2n 倍（bèi），鑽孔的輪次數 2n + 2 輪次（cì）。其中（zhōng） 2n 輪次為雙鑽模式，2 輪次單鑽模式。總排數為 4n + 2 時的最優鑽孔模式如表 3 所示。

表 3 總排數為 4n + 2 時的最優鑽孔模式

當工件總排數為（wéi） 4 的整數倍餘 3，即 4n + 3，( n =1，2，…) 時，左右鑽頭的間距應為排間距的 2n + 1 倍，鑽（zuàn）孔的輪次數 2n + 2 輪次。其中( 2n + 1) 輪次為（wéi）雙鑽模（mó）式（shì），1 輪次為單鑽模式。總排數為 4n + 3 時（shí）的最（zuì）優鑽孔模式如表 4 所示。

表（biǎo） 4 總排數為 4n + 3 時（shí）的最優鑽孔（kǒng）模（mó）式

3.結語（yǔ）

根據上述雙頭深孔槍鑽最（zuì）優鑽孔模（mó）式算法，在華（huá）中 21 型數控係統（tǒng）平（píng）台上進行二次開發，實現了本方案的應用。用（yòng）戶隻需輸入工件的總排數、每排的孔數（shù）、排間距和鑽孔時的速度等（děng）相關參數，數控係統即可自動生成最後的鑽孔加工程序，從而極大（dà）地簡化（huà）了用戶的編程（chéng）和調試。

加工後尺寸精度難以把控的（de）特點，創新性地提（tí）出了運用五軸（zhóu）聯（lián）動數控砂帶（dài）磨床對其表麵進（jìn）行高效高精（jīng）度打磨，機床的工藝靈活性與加工適應性均得到了較高程度的提（tí）升。最後（hòu）進行（háng）了實際加工（gōng）實驗，結果證明葉（yè）片型麵磨削效（xiào）果與（yǔ）磨削效率遠高於現階段高（gāo）強度且磨削質量難以管控（kòng）的手工（gōng）作業（yè）方式。

2) 本文在不犧牲數控砂帶磨床原有加工效率的前提下優化了磨削工具進入葉根圓角難加工區域的位姿（zī）形（xíng）態，使磨削工具的可達磨削區域（yù）得到了一定程度上的提升。

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