本发明涉及一种钻孔装置及钻孔方法。
背景技术：
石英/陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，采用石英纤维增强的方法获得的一种耐烧蚀复合材料。它所具有耐磨损、耐高温、耐烧蚀等优点，使之成为复合材料防热结构件。由于该材料是一种新型材料，特别是该技术涉及技术保密，国内外尚无对其在军工应用方面的加工研究报道。
某天线罩(图1)与金属连接环胶接装配后，需要以金属连接环的预制通孔为导向，在石英增强sio2陶瓷基复合材料的天线罩内侧壁进行φ8mm盲孔加工，目前主要采用手电钻人工制孔作业，这就造成了工件在生产过程中主要存在以下问题：(1)制孔质量不稳定，精度保持性差。手工钻孔时，一方面进给速度难以控制，易造成钻孔深度超差，另一方面很难确保加工后的盲孔轴线向心。通常钻孔时需要透过钢环的预钻孔进行制孔，手工作业很难长时间稳定的把持工具在合适的位置，由此将易剐削钢环的预钻孔，并使钻孔的径向精度产生较大偏差；此外，由于不是一次性钻孔，需要边钻边量，孔壁质量和孔径尺寸精度一致性难以保证。(2)材料难加工，刀具磨损较大。由于石英增强sio2陶瓷基复合材料是高硬度材料且其导热性较差，切削区温度高并集中在刀具切削刃附近很窄的区域内，纤维的回弹及粉末状的切屑又加重了擦伤刃口,而材料不能采用液体冷却，故刀具磨损严重。(3)加工效率低下，劳动强度大。此外，近距离接触钻削的粉尘对人体伤害极大。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种石英增强sio2陶瓷天线罩钻孔装置及方法，设计了一套天线罩数控钻孔装置，解决了天线罩手工钻孔劳动强度大、精度差等问题，经实际运用验证表明，应用此装置和方法可以实现石英增强sio2陶瓷天线罩自动钻孔。设计刀具、积累加工参数，为后续进一步加工天线罩提供试验数据。
本发明所采用的技术方案是：一种石英增强sio2陶瓷天线罩钻孔装置，包括立柱结构、回转工作台、x轴移动滑台、y轴移动滑台、z轴移动滑台、主轴组件、锥形工件专用夹具；立柱结构位于x轴移动滑台一端，底部与下方的机床床身底座连接，当工件装夹在锥形工件专用夹具时，x轴移动滑台带动锥形工件专用夹具和工件沿x轴方向移动，连接在x轴移动滑台上的回转工作台带动锥形工件专用夹具和工件沿周向360°旋转运动；y轴移动滑台与z轴移动滑台连接，y轴移动滑台安装在立柱结构上部，z轴移动滑台上装有主轴组件，刀具安装在主轴组件上，在x轴移动滑台、y轴移动滑台、z轴移动滑台的三轴联动带动下刀具实现沿x、y、z三个方向运动功能；立柱结构内安装有数控系统，通过数控系统进行程序设定，控制刀具完成指定动作，实现钻孔功能。
所述立柱结构包括铸件支撑结构，电气结构和数控操作面板；电气结构内置在铸件支撑结构内，用于程序设定的数控操作面板安装在铸件支撑结构上，电气结构包含数控系统，提供x、y、z轴及回转b轴四轴数控驱动。
所述回转工作台包括第四伺服电机、第四减速器、连接轴、回转分度工作台、底座框架；底座框架安装在x轴移动滑台上，支撑回转分度工作台；连接轴两端分别连接回转分度工作台、底座框架，第四伺服电机通过第四减速器连接连接轴，第四伺服电机通过第四减速器带动连接轴旋转，通过连接轴带动回转分度工作台的周向360°回转运动。
所述x轴移动滑台包括第一伺服电机、第一减速器、第一联轴器、第一丝杠、第一丝杠螺母、第一移动滑台、第一导轨、第一限位器；两条平行的第一导轨安装在床身底座上，沿水平方向；第一丝杠两端分别安装在床身底座上并位于两条第一导轨之间，第一移动滑台位于第一导轨、第一丝杠上方，第一丝杠螺母与第一移动滑台底部连接，第一伺服电机通过第一减速器、第一联轴器与第一丝杠端部连接，第一限位器安装在床身底座上，用于限定第一移动滑台的行程；第一伺服电机通过第一减速器、第一联轴器、第一丝杠、第一丝杠螺母，最终驱动第一移动滑台沿第一导轨实现第一移动滑台沿x方向的运动。
所述y轴移动滑台包括第二伺服电机、第二减速器、第二联轴器、第二丝杠、第二丝杠螺母、第二移动滑台、第二导轨、第二限位器、第二底座；两条平行的第二导轨安装在第二底座上，沿竖直方向，第二底座安装在立柱结构顶部；第二丝杠两端分别安装在第二底座上并位于两条第二导轨之间，第二移动滑台位于第二导轨、第二丝杠上方，第二丝杠螺母与第二移动滑台连接，第二伺服电机通过第二减速器、第二联轴器与第二丝杠端部连接，第二限位器安装在第二底座上，用于限定第二移动滑台的行程；第二伺服电机通过第二减速器、第二联轴器、第二丝杠、第二丝杠螺母，最终驱动第二移动滑台沿第二导轨运动。
所述z轴移动滑台包括第三伺服电机、第三减速器、第三联轴器、第三丝杠、第三丝杠螺母、第三移动滑台、第三导轨、第三限位器、第三底座；两条平行的第三导轨安装在第三底座上，第三导轨与第二导轨垂直，第三底座安装在第二移动滑台上；第三丝杠两端分别安装在第三底座上并位于两条第三导轨之间，第三移动滑台位于第三导轨、第三丝杠上方，第三丝杠螺母与第三移动滑台连接，第三伺服电机通过第三减速器、第三联轴器与第三丝杠端部连接，第三限位器安装在第三底座上，用于限定第三移动滑台的行程；第三伺服电机通过第三减速器、第三联轴器、第三丝杠、第三丝杠螺母驱动第三移动滑台沿第三导轨运动。
所述主轴组件包括电主轴头、开口夹套、刀具夹套，开口夹套包括套筒和底座，套筒侧壁开口并通过螺钉实现夹紧，套筒通过底座安装在第三移动滑台底端，电主轴头安装在开口夹套的套筒内，刀具夹套安装在电主轴头端部，刀具装夹在刀具夹套内，在电机带动下实现转动。
所述锥形工件专用夹具包括第四底座、立柱支架、上压环、中部支撑环、尼龙衬套、下支撑环；立柱支架安装在第四底座上，支撑上压环、中部支撑环、下支撑环；中部支撑环、下支撑环分别与上压环平行且位于上压环和第四底座之间；尼龙衬套安装在中部支撑环内环上，尼龙衬套内环表面为锥形面，外侧为球形接触面；装夹时，工件被中部支撑环的尼龙衬套内锥面支撑住，中部支撑环沿立柱支架螺纹上下移动，上压环与四个立柱支架连接，通过安装在上压环上的压板向下压紧工件；下支撑环包括侧向支撑块、手轮、支撑杆、环形框，支撑杆穿过环形框，支撑杆两端安装手轮和侧向支撑块，通过旋转手轮调节侧向支撑块的位置，侧向支撑块辅助调节工件端面水平后，同时夹紧工件，与工件接触部位的侧向支撑块设尼龙垫保护工件外表面；下支撑环随中部支撑环沿立柱支架螺纹上下移动；第四底座中心轴与中部支撑环的旋转中心一致，用于工件、锥形工件专用夹具与回转工作台三者旋转中心轴线保持一致。
所述电气结构包括电气控制系统及操作台，电气控制系统用于控制各伺服电机工作，操作台用于输入控制指令。
一种石英增强sio2陶瓷天线罩钻孔方法，包括步骤如下：
第一步：将工件大端面朝上立式放置在锥形工件专用夹具体内；
第二步：将百分表安装在机床主轴上，首先用百分表找正工件大端端跳，通过调节下支撑环的侧向支撑块的手轮将工件找正；然后通过三轴移动方式找正工件大端内侧金属端框径跳，沿主轴中心线在金属端框内径左右摆表确定工件中心轴线的位置；最后将百分表表针探入工件内侧金属端框预制孔中沿孔壁盘表一周，确定工件大端侧壁上销孔的中心位置；
第三步：找正后设置加工原点，按照工件的图纸编制数控程序，启动钻孔程序；
第四步：根据不同的工件材料硬度，选择刀具，刀具包括pcd刀具和金刚石套料钻；根据钻孔程序，对工件进行螺旋磨削钻孔。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明以研制的刀具和加工工艺为基础，设计了天线罩工件专用数字化加工装置，能适应多种不同规格的天线罩零件在数控机床上加工内壁均布盲孔时的调整、定位和夹紧，实现了天线罩端框孔的数字化高效加工，为天线罩工件的加工提供了技术支持和应用平台。相对于手工制孔，在该加工装置及夹具上可以对天线罩内壁盲孔进行加工，加工效率和制孔质量明显提高，劳动强度明显降低，工作环境大大改善。
2.本发明采用该加工装置打出的天线罩销钉孔孔径与深度尺寸能够严格保证图纸要求，孔径φ8.1～φ8.2mm，深度精度±0.1mm。
3.本发明采取刀轴与孔轴中心平行的螺旋磨削方式加工成形，其中工件不动，刀具在自转的同时，以偏心距e沿孔轴以螺旋轨迹公转。加工运动由电镀金刚石套料钻的自转、电镀金刚石套料钻绕孔轴线的公转和电镀金刚石套料钻轴向进给三种运动复合而成。电镀金刚石砂粒高速磨削作用下，石英材料脆性崩碎形成粉末状切屑，有效减少了孔入口崩边、隆起等缺陷，提高了孔的加工质量。天线罩销钉孔加工周期缩短50％以上(单孔加工时间不大于5min)。
4.本发明的加工方法中，pcd刀具钻孔加工质量较好，刀具寿命较长，适应于石英增强sio2陶瓷基天线罩的制孔。针对硬度更大的陶瓷基复合纤维材料，电镀金刚石砂轮并利用螺旋铣磨加工工艺作为一种新型制孔工艺，可以有效减少轴向力从而改善加工质量。
附图说明
图1为天线罩示意图；
图2为本发明天线罩钻孔装置示意图；
图3为本发明立柱结构组成原理图；
图4为本发明回转工作台组成原理图；
图5为本发明x轴移动滑台组成原理图；
图6为本发明y轴移动滑台组成原理图；
图7为本发明z轴移动滑台组成原理图；
图8为本发明主轴组件组成原理图；
图9(a)、图9(b)为本发明锥形工件专用夹具组成原理图；
图10为本发明间歇进给钻削示意图；
图11为本发明电镀金刚石套料钻螺旋铣削原理示意图；
图12为本发明天线罩钻孔加工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，根据工件(即天线罩)特点和图纸加工要求，(1)在天线罩端框由内至外钻孔，孔在工件端框上周向均布；(2)天线罩大端内嵌套钢环，壁厚10～20mm，钢环已有φ8mm通孔，周向均布；(3)工件材料为石英增强sio2陶瓷基复合材料，工件端框内径≥φ350mm，端框壁厚30～40mm，端框长60～120mm；(4)以金属钢环上已有通孔为导向，在石英增强sio2陶瓷基复合材料上由内至外钻削φ8mm盲孔，孔中心定位精度：±0.1mm，并确保径向。
结合操作习惯和工件防护等因素的综合考虑，采用立式加工方案(图2)，这样更有利于提高加工效率，避免天线罩移动中的磕碰，保证加工安全；同时更有利于保证回转精度，利于自动化加工。所述天线罩钻孔装置，包括：立柱结构1、回转工作台2、x轴移动滑台3、y轴移动滑台4、z轴移动滑台5、主轴组件6、锥形工件专用夹具7。其中立柱结构1位于x轴移动滑台3一侧，与其下面的床身底座24机械连接，当工件装夹在锥形工件专用夹具7时，x轴移动滑台3带动锥形工件专用夹具7和工件沿x向移动，同时机械连接在x轴移动滑台3上的回转工作台2可带动锥形工件专用夹具7和工件沿周向360°旋转运动。y轴移动滑台4与z轴移动滑台5连接，位于立柱结构1上，z轴移动滑台5上装有主轴组件6，刀具用机械方式安装在主轴组件6上，在三轴联动带动下刀具可实现沿x、y、z三个方向运动功能。立柱结构1内有电气控制系统及操作台(数控系统)，当启动数控系统时，整个装置可以按照程序设定完成指定动作，实现天线罩钻孔功能；其中，x轴方向沿机床床身水平面，y轴沿竖直方向，z轴与x、y轴满足右手定则。
如图3所示，立柱结构1包括铸件结构8，电气结构9和数控操作面板10。电气结构9内置在铸件支撑结构8内，用于程序设定的数控操作面板10安装在铸件支撑结构8上，立柱结构内的电气结构9包含数控系统提供x、y、z轴及回转b轴四轴数控驱动。
如图4所示，回转工作台2，包括第四伺服电机11、第四减速器12、连接轴13、回转分度工作台14、底座框架15。底座框架15安装在x轴移动滑台3上，支撑回转分度工作台14；连接轴13两端分别连接回转分度工作台14、底座框架15，第四伺服电机11通过第四减速器12连接连接轴13，第四伺服电机11通过机械方式带动第四减速器12、连接轴13最终带动回转分度工作台14，实现夹具和工件的周向360°回转运动。
如图5所示，x轴移动滑台3，包括第一伺服电机16、第一减速器17、第一联轴器18、第一丝杠19、第一丝杠螺母20、第一移动滑台21、第一导轨22、第一限位器23。两条平行的第一导轨22安装在床身底座24上，沿水平方向；第一丝杠19两端分别安装在床身底座24上并位于两条第一导轨22之间，第一移动滑台21位于第一导轨22、第一丝杠19上方，第一丝杠螺母20与第一移动滑台21底部连接，第一伺服电机16通过第一减速器17、第一联轴器18与第一丝杠19端部连接，第一限位器23安装在床身底座24上，用于限定第一移动滑台21的行程；第一伺服电机16通过机械方式经第一减速器17、第一联轴器18、第一丝杠19、第一丝杠螺母20最终驱动第一移动滑台21沿第一导轨22实现装置主轴的x向运动。运动中第一限位器23起到行程限位保护作用。
如图6所示，y轴移动滑台4，包括第二伺服电机25、第二减速器26、第二联轴器27、第二丝杠28、第二丝杠螺母29、第二移动滑台30、第二导轨31、第二限位器32、第二底座33。两条平行的第二导轨31安装在第二底座33上，沿竖直方向，第二底座33安装在立柱结构1顶部；第二丝杠28两端分别安装在第二底座33上并位于两条第二导轨31之间，第二移动滑台30位于第二导轨31、第二丝杠28上方，第二丝杠螺母29与第二移动滑台30连接，第二伺服电机25通过第二减速器26、第二联轴器27与第二丝杠28端部连接，第二限位器32安装在第二底座33上，用于限定第二移动滑台30的行程；第二伺服电机25通过机械方式经减速器26、第二联轴器27、丝杠28、第二丝杠螺母29最终驱动第二移动滑台30沿第二导轨31实现装置主轴的y向运动。运动中第二限位器32起到行程限位保护作用。
如图7所示，z轴移动滑台5，包括第三伺服电机34、第三减速器35、第三联轴器36、第三丝杠37、第三丝杠螺母38、第三移动滑台39、第三导轨40、第三限位器41、第三底座42。两条平行的第三导轨40安装在第三底座42上，第三导轨40与第二导轨31垂直，第三底座42安装在第二移动滑台30上；第三丝杠37两端分别安装在第三底座42上并位于两条第三导轨40之间，第三移动滑台39位于第三导轨40、第三丝杠37上方，第三丝杠螺母38与第三移动滑台39连接，第三伺服电机34通过第三减速器35、第三联轴器36与第三丝杠37端部连接，第三限位器41安装在第三底座42上，用于限定第三移动滑台39的行程；第三伺服电机34通过机械方式经第三减速器35、第三联轴器36、第三丝杠37、第三丝杠螺母38最终驱动第三移动滑台39沿第三导轨40实现装置主轴的z向运动。运动中第三限位器41起到行程限位保护作用。
如图8所示，主轴组件6，包括电主轴头43、开口夹套44、刀具夹套45，开口夹套44包括套筒和底座，套筒侧壁开口并通过螺钉实现夹紧，套筒通过底座安装在第三移动滑台39底端，电主轴头43安装在开口夹套44的套筒内，刀具夹套45安装在电主轴头43端部，电主轴头43通过开口夹套44机械连接固定到第三移动滑台39上，刀具装夹在刀具夹套45内，在电机带动下实现转动。
如图9(a)、图9(b)所示，锥形工件专用夹具7，包括第四底座46、立柱支架47、上压环48、中部支撑环49、尼龙衬套50、下支撑环51。立柱支架47安装在第四底座46上，支撑上压环48、中部支撑环49、下支撑环51；中部支撑环49、下支撑环51分别与上压环48平行且位于上压环48和第四底座46之间；尼龙衬套50安装在中部支撑环49内环上，尼龙衬套50内环表面为锥形面，外侧为球形接触面；装夹时，工件被中部支撑环49的尼龙衬套50内锥面支撑住，尼龙衬套50外侧球形接触面可满足工件端面水平微调。中部支撑环49沿立柱支架47螺纹上下移动，可适应不同尺寸的工件外形，上压环48与四个立柱支架47螺纹机械连接，通过安装在上压环上的压板向下压紧工件。下支撑环51带侧向支撑，辅助调节工件端面水平后，同时夹紧工件，与工件接触部位的侧向支撑块设尼龙垫保护工件外表面。下支撑环51可随中部支撑环49沿立柱支架47螺纹上下移动，适应不同尺寸的工件外形。第四底座46与中部支撑环49的旋转中心一致，用于工件、锥形工件专用夹具7与装置的回转工作台2三者旋转中心轴线保持一致。
所述电气结构9包括电气控制系统及操作台(数控系统)，主要利用装置中的数控加工系统和计算机系统，在不影响其原有的加工功能情况下，对其进行功能扩展，实现装置的自动制孔功能。
如图12所示，一种石英增强sio2陶瓷天线罩钻孔方法，包括步骤如下：
第一步：将工件大端面朝上立式轻放在夹具体内。
第二步：在进行加工时，本实施例中的找正方式基本采用盘表的方式，这样能大大提高加工的准确度，保证加工质量。将百分表安装在机床主轴上，首先用百分表找正工件大端端跳，通过调节下支撑环51带侧向支撑的手轮将其找正；然后通过三轴移动方式找正大端内侧金属端框径跳，沿主轴中心线在金属端框内径左右摆表可以确定天线罩中心轴线的位置；最后销孔的中心位置确定采取的方法是将表针探入天线罩内侧金属端框预制孔中沿孔壁盘表一周。该装夹找正方法可以快速准确的将待加工孔的中心确定。
第三步：找正后设置加工原点g54点，按照图纸编制数控程序，启动钻孔程序。
第四步：对于一般天线罩工件，可以采用pcd刀具钻孔的方式进行加工，而针对硬度更大的陶瓷基复材甚至是纯陶瓷体则考虑采用电镀金刚石螺旋磨削的方式进行孔的加工。基于这些因素，设计分别采用pcd刀具和金刚石套料钻螺旋磨削钻孔进行加工。
钻孔策略采取啄钻方式(图10)时，其优点在于一个钻削循环内包括轴向进给、抬刀脱离加工区域、刀具停留冷却三个阶段。程序多次循环执行，最终实现整个孔钻削加工过程。钻孔过程中，10mm的深度设计安排抬刀3-4次，进给速度不变，抬刀停留时间设定为2-3秒。采用这种间歇进给方式极大改善切削温度过高问题，为冷却、排屑创造时间。
钻孔策略采取金刚石套料钻螺旋磨削方式(图11)时，其优点在于对硬度更大的陶瓷基复材制孔时，刀具在高速自转的同时以某个偏心距沿孔轴方向以螺旋公转轨迹方式磨削制孔。电镀金刚砂砂粒高速磨削作用下，陶瓷材料脆性断裂形成粉末状切屑，有效减少了孔入口崩边、隆起等缺陷，提高了孔的加工质量。
最后确定φ8mmpcd刀具加工石英增强sio2陶瓷材料的工艺参数为：进给速度为10～20mm/min,切削速度为1600r/min-2400r/min。
针对硬度更大的陶瓷基复合纤维材料，电镀金刚石砂轮并利用螺旋铣磨加工工艺作为一种新型制孔工艺，可以有效减少轴向力从而改善加工质量。试验中效果较好的工艺参数为主轴转速n＝5000r/min时，轴向切深0.1mm/r时钻削力较小。
如图2所示，每次启动机床(启动电源，按下操作面板上的电源键)要首先进行原点复位(按下原点复位键，此时各轴会自动回到机床绝对坐标原点)。
起吊头罩连接环部位，平稳放在机床夹具内部，将四个顶块松开适当距离。
装夹找正：a)将百分表安装在机床主轴上，移动x轴到原点位置(机床原点)，在零件端面四象限处打表找正端跳，通过四个手轮调整零件端面水平误差不超过0.1mm(允许对称找正)，然后夹紧压板螺母。b)在钢环内壁四象限处打表找径跳，通过四个回转工作台上的顶丝扳手调整零件径向跳动误差不超过0.1mm，然后夹紧固定螺母。c)选取内框对称两点，左右摆表找正，误差不超过0.02mm。使钢环中心轴线与回转工作台中心轴线同轴。d)在机床主轴上安装pcd刀具，选择刀头对准钢环上的首孔，一边匀速手动旋转主轴，一边用手麦调整x轴使钻头缓慢进入钢圈孔中心(注意根据刀具摩擦孔壁情况灵活调整位置，避免碰伤金属)，进给深度接近钢环孔底。e)退刀至连接环内安全位置，设定g54加工原点，夹紧工件(避免工件晃动)对刀完毕。检查找正值，原点设定是否正确。
钻孔：调用程序，控制加工参数。a)由退回距离和钻孔深度可计算出进给深度(钻孔深度＝孔深+主轴退回距离)，修改深度后启动啄钻程序，加工φ8盲孔，深度留余量不小于2mm。b)退刀到安全位置，测量孔深。
扩孔：换上合金钻头，重新确定g54点，方法同上，修改钻孔深度调用扩孔程序，扩孔至φ8+0.2+0.1mm，留余量不小于2mm，结束后退刀到安全位置，测量孔深。修改钻孔深度，钻孔到位，保证深度16.5±1mm。
将工件移至安全位置，卸夹，清理。
本实施例采用该加工装置打出的天线罩销钉孔孔径与深度尺寸能够严格保证图纸要求，孔径φ8.1～φ8.2mm，深度精度±0.1mm。
本发明说明书未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。