用于铣削内孔和外圆的数控机床及加工方法与流程

本发明涉及孔及外圆在数控设备上的加工，尤其涉及一种用于铣削内孔和外圆的数控机床及加工方法，属于机械加工技术领域。

背景技术：

数控镗铣床、加工中心等数控加工设备的应用日益普遍，其所加工的零件种类也越来越多，对如何根据零件需要、工艺需要和加工需要铣削孔及外圆已成为一个值得探究的问题。

伴随着数控技术、刀具技术的快速发展，零件结构的复杂性、对孔及外圆的铣削加工方式和要求也有了长足的进步。数控机床上原有的固有循环方式已无法满足新的加工要求。

如何提高数控机床在铣削孔及外圆加工时的效能，减少人为编程的出错概率和编程时间，并使得技术人员在无需全面了解数控编程的条件下完成数控加工，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有数控机床的不足，提供一种用于铣削内孔和外圆的数控机床及加工方法，以提高数控机床在铣削加工孔及外圆方面的效能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于铣削内孔和外圆的数控机床，该数控机床上加装有用于控制该数控机床进行操作的铣削模块，该铣削模块包括铣削加工位置辨析单元、铣削加工方式辨析单元、铣削加工形状辨析单元、计算单元、逻辑判断单元、输出单元和反馈接收单元；

所述铣削加工位置辨析单元对用户输入数据进行处理，分拣加工位置为孔或外圆的信息，其输出连接到计算单元；

所述铣削加工方式辨析单元对用户输入数据进行处理，分拣加工方式为层铣或螺旋插补铣的信息，其输出连接到计算单元；

所述铣削加工形状辨析单元对用户输入数据进行处理，辨析加工面为锥面或非锥面的情况，其输出连接到计算单元；

所述逻辑判断单元辨识加工过程中的逻辑关系，控制逻辑流转；

所述计算单元接收来自所述铣削加工位置辨析单元、铣削加工方式辨析单元、铣削加工形状辨析单元和逻辑判断单元的输出数据以及来自反馈接收单元的反馈数据，用于计算孔和外圆的加工深度、半径和加工运动轨迹，并且输出连接到所述输出单元；

所述输出单元根据给定的加工命令和所述计算单元输出的计算数据，输出给所述数控机床进行孔和外圆的铣削加工；

所述反馈接收单元接收所述数控机床反馈的信息并输送给所述计算单元。

进一步地，所述数控机床还包括数据处理单元、逻辑判断数据存储器和数值数据存储器，所述数据处理单元将用户输入的数据分解为逻辑判断数据和数值数据，并且相应地分别存放入所述逻辑判断数据存储器和数值数据存储器中。

进一步地，所述数控机床还包括数据报警单元和机床报警单元，该数据报警单元对用户输入的数据进行分析，如发生有数据不匹配或逻辑错误的情况，通过所述机床报警单元报警。

本发明的另一技术方案是：

一种采用上述数控机床实现的铣削内孔和外圆的加工方法，包括依序进行的如下步骤：

步骤S2：根据用户输入数据，所述铣削加工位置辨析单元辨析用户定义的铣削加工位置；

当需要进行孔加工时，进行步骤S21：输出加工位置为孔的信息给所述计算单元，而后实施步骤S3；

当需要进行外圆加工时，进行步骤S22：输出加工位置为外圆的信息给所述计算单元，而后实施步骤S3；

步骤S3：根据用户输入数据，所述铣削加工方式辨析单元辨析用户定义的铣削加工方式；

当加工方式为层铣时，进行步骤S31：输出加工方式为层铣的信息给所述计算单元，而后实施步骤S4；

当加工方式为螺旋插补铣时，进行步骤S32：输出加工方式为螺旋插补铣的信息给所述计算单元，而后实施步骤S4；

步骤S4：根据用户输入数据，所述铣削加工形状辨析单元辨析用户定义的铣削加工形状是否为锥面；

当铣削加工形状为非锥面时，进行步骤S41：输出加工形状为非锥面的信息给所述计算单元，而后实施步骤S5；

当铣削加工形状为锥面时，进行步骤S42：输出加工形状为锥面的信息给所述计算单元，而后实施步骤S5；

步骤S5：所述计算单元根据用户定义的加工要求获得计算结果，并且通过所述输出单元输出命令给所述数控机床，以实现内孔层铣、外圆层铣、内孔螺旋插补铣、外圆螺旋插补铣、内孔锥铣或外圆锥铣的加工；

步骤S6：根据用户输入数据辨析判断用户定义是否需要加工阶梯孔或阶梯外圆，如果需要，返回步骤S4，并进而完成后续加工；如果不需要，或已完成阶梯孔或阶梯外圆加工，则进行步骤S7；

步骤S7：根据用户输入数据辨析判断用户定义是否需要精加工，如果需要，返回步骤S3，并进而完成后续加工；如果不需要，则进行步骤S72：输出工序结束命令，从而全部加工过程结束。

进一步地，所述加工方法还包括步骤S1：数据检测，读取用户定义数据，对加工的起刀点、直径和深度进行参数校对，

如参数出错，则进行步骤S11：输出错误报警命令给所述数控机床进行报警；

如参数无错误，则进行步骤S12：将用户数据分解为逻辑判断数据和数值数据并分别进行存储。

与现有数控机床加工方式相比，本发明的有益效果在于：

1)通过铣削模块控制数控机床进行孔及外圆的铣削操作，不断进行加工位置的辨别，直至到达预定深度，完成孔及外圆各种类型的铣削加工。

2)实现了阶梯孔的铣削。

3)能够根据零件加工要求控制粗加工和精加工过程，组合最佳加工方案。

4)实现了小直径铣刀铣削大直径孔的自动循环(层铣小于7倍刀具直径、螺旋插补铣小于6倍刀具直径)。

5)降低了对人员编程能力的要求，提供了简便的编程方式。

本发明适用于在铣床、龙门铣、加工中心等上进行孔及外圆的层铣加工、螺旋插补铣加工、锥面加工、阶梯孔及外圆的铣削加工以及根据加工要求进行各类铣削加工的混合应用。

附图说明

图1是本发明的数控机床的结构示意图。

图2是本发明的铣削加工方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行描述，其中相同的部件用相同的附图标记表示。

本发明在用于铣削孔及外圆的数控机床上加装孔及外圆加工的铣削模块。数控机床接受用户以数控宏代码的方式输入的铣削孔及外圆的相关尺寸、加工方式等数据，并将这些数据调入铣削模块中。通过铣削模块控制数控机床进行铣削孔及外圆的操作，不断进行加工位置的辨别，直至到达规定深度，完成孔及外圆的铣削加工。

所述输入数据包含：

1)铣削加工位置的选择(内孔加工、外圆加工)。

2)铣削粗加工方式的选择(层铣、螺旋插补铣)。

3)铣削精加工方式的选择(层铣、螺旋插补铣)。

4)铣削孔及外圆的安全深度。

5)铣削孔及外圆的起始深度。

6)孔或外圆的台阶数。

7)预加工或浇铸孔直径。

8)孔或外圆加工直径(1)。

9)孔或外圆加工深度(1)。

10)孔或外圆加工锥度(1)。

11)孔或外圆加工直径(2)。

12)孔或外圆加工深度(2)。

13)孔或外圆加工锥度(2)。

14)孔或外圆加工直径(3)。

15)孔或外圆加工深度(3)。

16)孔或外圆加工锥度(3)。

17)精加工余量。

18)锥面铣削圆周上加工精度。

19)锥面铣削深度上加工精度。

一般铣削刀具的加工长度小于四倍直径，在使用防震刀杆情况下小于六倍直径。一般加工之中不会超过三个台阶面。如有需要可自行调整增加深度等参数。

本发明所涉及的孔及外圆的铣削加工类型如下：

1)孔或外圆(圆柱)的层铣加工。

主轴在进给一定深度(与刀具侧刃长度、机床负荷有关)后，再按圆周方向进行铣削加工。使用刀具一般无坡铣能力。

2)孔或外圆(圆锥)的层铣加工。

主轴在进给一定深度(与刀具侧刃长度、机床负荷有关)后，再按圆周方向进行铣削加工。根据深度的变化加工圆的直径相应发生变化。形成阶梯孔。每次深度进给越小锥面越光滑。较适用于锥面的粗加工。

3)孔或外圆(圆柱)的螺旋插补铣加工。

主轴在进行圆周方向运动的同时轴向也同时进给，形成螺旋线的铣削方式。

该加工方式刀具必须具备坡铣能力。

4)孔或外圆(圆锥)的螺旋插补铣加工。

根据用户指定圆周方向及轴向进给精度(轴向进给精度与坡铣角度允许最大进给值比对不在此模块中)，将圆锥面分解为若干直线段，通过对直线段的加工形成近圆锥面。圆周方向及轴向进给量越小，孔质量越高，但相对加工时间越慢。

所述铣削模块中设置的小直径铣刀铣削大直径孔的加工数学模型的建立及计算过程如下：

小直径铣刀铣削大直径孔可有效的减少刀具库存，有效的增加刀具灵活性。本铣削模块加工孔径的范围为：层铣小于7倍刀具直径、螺旋插补铣小于6倍刀具直径(刀具切削最大次数为3次，如超过3次则切削效能过大，建议更换刀具加工)。孔直径与刀具直径、刀具圆弧将影响铣削加工的半径值。

1)层铣加工方式和计算方式

层铣加工主要是主轴在进给一定深度后，再按圆周方向进行铣削加工的过程。在小直径铣刀铣削大直径孔的过程中，3倍刀具直径、5倍刀具直径为重要的加工界限值。当孔径小于3倍刀具直径时，可在一次层铣加工中完成(孔底平面如不能有接刀痕迹时，该界限值应为3倍刀具直径～4倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值)；当孔径小于5倍刀具直径时，需在层铣加工中进行一次粗加工，其加工半径为1倍的刀具直径～2倍的铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-0.5(0.5为余量保证加工平面的平整，孔底平面如不能有接刀痕迹时，该界限值应为5倍刀具直径～8倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-1)；当孔径大于5倍刀具直径且小于7倍刀具直径时，需在孔径小于5倍刀具直径的加工基础上，增加一次粗加工其加工半径为2倍的刀具直径～4倍的铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-1。(1为余量保证加工平面的平整，孔底平面如不能有接刀痕迹时，该界限值应为7倍刀具直径～12倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-3)。

在完成上述加工后，如加工深度未达到用户定义深度，系统进入深度的加工并在下一深度进行上述的小直径铣刀铣削大直径孔的加工，直至到达到用户要求。

当在铣削加工前移有前道加工的预加工或浇铸孔时，系统会对预加工或浇铸孔直径与加工界限值比对,即预加工或浇铸孔直径与3倍刀具直径～4倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值进行比较，或者预加工或浇铸孔直径与5倍刀具直径～8倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值进行比较，避免空走刀的出现。

2)螺旋插补铣加工方式和计算方式

螺旋插补铣与层铣不同，层铣加工过程中在轴向进给时已完成一个刀具直径的加工，故螺旋插补铣比层铣少一个刀具直径的加工。在小直径铣刀铣削大直径孔的过程中，2倍刀具直径、4倍刀具直径为重要的加工界限值。同时螺旋插补铣加工类似扩孔加工，在完成一个直径的加工后再进行下一个直径的加工。

当孔径小于2倍刀具直径时，可在一次层铣加工中完成；当孔径小于4倍刀具直径时，需在层铣加工中进行一次粗加工，其加工半径为0.5倍的刀具直径～3倍的铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-0.5(0.5为余量保证加工平面的平整，孔底平面如不能有接刀痕迹时，该界限值应为2倍刀具直径～2倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-1)。当孔径大于5倍刀具直径且小于6倍刀具直径时，需在孔径小于4倍刀具直径的加工基础上增加一次粗加工，其加工半径为1.5倍的刀具直径～6倍的铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-1(1为余量保证加工平面的平整，孔底平面如不能有接刀痕迹时，该界限值应为6倍刀具直径～10倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值-3)。

当在铣削加工前移有前道加工的预加工或浇铸孔时，系统会对预加工或浇铸孔直径与加工界限值比对，即预加工或浇铸孔直径与2倍刀具直径～2倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值进行比较，或者预加工或浇铸孔直径与4倍刀具直径～6倍铣刀或外圆铣刀刀片的端刃倒角长度或刀尖圆弧半径值进行比较，避免空走刀的出现。

本铣削模块中，锥面加工数学模型的建立及计算过程如下：

锥面直径变化与深度的变化有关，因此以深度为变量值并与锥度相互关联后可计算出直径的值。

1)锥面层铣加工计算方式

层铣加工过程中主轴到一定深度后不再变化及每次的加工深度为定值，故达到深度后通过计算得到的直径值也是固定的。

直径值＝起始直径±2×tan(锥度/2)×深度。

2)锥面螺旋插补铣加工计算方式

螺旋插补铣加工过程中深度在不断的变化，直径也随之变化。为了较为精确的形成锥面，需将每一个螺旋线分解为若干个直线段加工并进行三维的连接形成锥面。

在加工过程中，铣削模块将计算出每个直线段的终点的空间坐标。

铣削模块首先读取用户定义的锥面铣削圆周上的加工精度，将基圆等分为若干直线段，并得到角度位移变量和直线段数量。

基于锥面铣削深度上加工精度和直线段数量，确定深度位移变量和直径比变化量：

直径变化量＝起始直径±2×tan(锥度/2)×深度位移变量。

根据角度位移和直径变化量可求得该角度半径在第一轴和第二轴的投影：

第一轴坐标点＝(当前直径±直径变化量)/2×cos(角度)；

第二轴坐标点＝(当前直径±直径变化量)/2×sin(角度)。

配合深度位移可实现近锥面的加工。

如图1所示，本发明所述用于铣削内孔和外圆的数控机床包括有数据处理单元、逻辑判断数据存储器、数值数据存储器、数据报警单元和机床报警单元；该用于铣削内孔和外圆的数控机床上加装有用于控制该数控机床进行操作的铣削模块，该铣削模块包括铣削加工位置辨析单元、铣削加工方式辨析单元、铣削加工形状辨析单元、计算单元、逻辑判断单元、输出单元、反馈接收单元。

各单元说明如下：

1)数据报警单元。

获取用户输入数据，对用户输入的数据进行分析，如有数据不匹配或逻辑错误，通过机床报警单元报警。数据报警单元连接数据处理单元，以将正确数据输出到数据处理单元。

2)数据处理单元。

将用户输入的数据分解成逻辑判断数据和数值数据，并相应地存放入逻辑判断数据存储器或数值数据存储器中。

3)逻辑判断数据存储器。

存储逻辑判断数据，如：铣削孔及外圆加工位置的选择、铣削孔及外圆加工方式的选择。

4)数值数据存储器。

存储数值数据，如：孔或外圆加工直径(1)、孔或外圆加工深度(1)、孔或外圆加工锥度(1)、孔或外圆加工直径(2)、孔或外圆加工深度(2)、孔或外圆加工锥度(2)、孔或外圆加工直径(3)、孔或外圆加工深度(3)、孔或外圆加工锥度(3)；精加工余量。

5)铣削加工位置辨析单元。

对逻辑判断数据存储器存储的逻辑判断数据进行处理，分拣加工位置信息，其输出连接到计算单元。

6)铣削加工方式辨析单元。

对逻辑判断数据存储器存储的逻辑判断数据进行处理，分拣加工方式信息，其输出连接到计算单元。

7)铣削加工形状辨析单元。

对数值数据存储器存储的数值数据(加工锥度)进行读取，辨析加工面情况，其输出连接到计算单元。

8)逻辑判断单元。

辨识加工过程中逻辑关系，控制逻辑流转。

9)计算单元。

计算单元接受来自逻辑判断单元、数值数据存储器和铣削加工位置辨析单元、铣削加工方式辨析单元、铣削加工形状辨析单元的数据，主要用于孔或外圆(圆柱)层铣加工、孔或外圆(圆锥)层铣加工、孔或外圆(圆柱)螺旋插补铣加工深度、半径；孔或外圆(圆锥)螺旋插补铣加工运动轨迹的计算。还接受来自反馈接收单元的反馈数据。其输出连接到输出单元。

10)输出单元。

根据其他单元给定的机械动作命令和计算单元计算出的加工位置，输出给数控机床进行铣削孔及外圆加工。

11)反馈接收单元。

接收数控机床反馈的信息并根据用户设定的加工要求将数据反馈给计算单元。

图2显示了本发明的模块逻辑运行及设备运行过程。本发明所述的铣削内孔和外圆的加工方法包括依序进行的以下步骤：

步骤S1：数据检测。读取用户定义数据，通过数据报警单元对起刀点、内孔或外圆直径、内孔或外圆深度等数据进行参数校对。如参数出错，则进行步骤S11：输出错误报警命令给数控机床，使其对用户报警。如参数无错误，则进行步骤S12：通过数据处理单元将用户数据分解为逻辑判断数据和数值数据。

步骤S2：根据用户输入数据，辨析用户定义铣削加工部位，当需进行孔加工时，进行步骤S21：输出加工部位为孔的信息给计算单元，而后实施步骤S3；当需进行外圆加工时，进行步骤S22：输出加工部位为外圆的信息给计算单元，而后实施步骤S3。

步骤S3：根据用户输入数据，辨析用户定义铣削加工方式，当加工方式为层铣时，进行步骤S31：输出加工方式为层铣的信息给计算单元，而后实施步骤S4；当加工方式为螺旋插补铣时，进行步骤S32：输出加工方式为螺旋插补铣的信息给计算单元，而后实施步骤S4。

步骤S4：根据用户输入数据，辨析用户定义铣削加工形状是否为锥面，当铣削加工形状为非锥面时，进行步骤S41：输出加工形状为非锥面的信息给计算单元，而后实施步骤S5；当铣削加工形状为锥面时，进行步骤S42：输出加工形状为锥面的信息给计算单元，而后实施步骤S5。

步骤S5：使数控机床用户定义加工要求实现内孔层铣、外圆层铣、内孔螺旋插补铣、外圆螺旋插补铣、内孔锥铣或外圆锥铣，命令给数控机床，以使其进行加工。

步骤S6：根据用户输入数据，辨析用户定义判断是否需要加工阶梯孔(外圆)，如果是，返回步骤4进行辨别后完成后续加工；如果不是阶梯孔(外圆)或已完成阶梯孔(外圆)加工，进行步骤S7。

步骤S7：根据用户定义要求，判断是否需要精加工，如果是，返回步骤3进行辨别后完成后续加工；如果不需要精加工，进行步骤S72：输出工序结束命令，从而使加工工序结束。

采用本发明所述的数控机床及其铣削内孔和外圆的加工方法进行加工的实施例：

1、80mm顶盖上M36内六角螺钉沉孔加工

加工分析：M36内六角螺钉沉孔为阶梯孔，孔径分别为和沉孔深度37mm。该孔安装配合位置为深度37mm台阶面上可用刃口夹角90°铣刀直接加工无需精加工。

加工设定：设定加工位置为内孔；设定粗加工方式为螺旋插补铣加工；设定铣削孔及外

圆安全深度为5；设定铣削孔及外圆起始深度为0；设定孔或外圆的台阶数为2、设定加

工直径(1)为50、加工深度(1)为37、加工锥度(1)为0、加工直径(2)为38、加

工深度(2)为82、加工锥度(2)为0；精加工余量为0。

当设定的各直径、深度逻辑关系有误时，模块会提供直径、深度设定报警信号给数控机床并通过机床报警告知用户设定信息错误。

数控机床加工动作：1到达安全起刀点；2螺旋插补铣加工深度到37mm后层铣平面；3螺旋插补铣通孔；4刀具回退到安全起刀点。

2、船用低速柴油机X62气缸盖喷油器孔锥面加工

加工分析：该孔铣削是为后续成型刀具加工进行的粗加工环节，起始加工深度144mm；最大加工深度187.4mm；最小孔径且已预钻中心孔。采用高进给铣刀进行层铣加工。

加工设定：设定加工位置为内孔；设定粗加工方式为层铣加工；设定铣削孔及外圆起始深度为140；设定铣削孔及外圆起始深度为144；设定孔或外圆的台阶数为1、设定加工直径(1)为80、加工深度(1)为187.4、加工锥度(1)为45；精加工余量为0。

当设定的各深度逻辑关系有误时，模块会提供深度设定报警信号给数控机床并通过机床报警告知用户设定信息错误。

数控机床加工动作：1、到达安全起刀点；2、层铣锥面；3、刀具回退到安全起刀点。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的等同或等效变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

本发明通过在数控机床上加装用于孔及外圆加工的铣削模块，实现了根据零件需要、工艺需要、加工需要进行孔及外圆的铣削，提高了数控机床在铣削孔及外圆加工时的效能，减少了人为编程时的出错概率和编程时间，并使得技术人员在无需全面了解数控编程的条件下完成数控加工，同时有效的提高了产品的质量和加工的灵活性。