一种多主轴数控深孔机床钻孔加工方法和宏程序

时间：2024-07-28

卢传杰李凯刘小超王加祥

（1.德州德隆（集团）机床有限责任公司，德州 253000；2.山东省机械设计研究院，济南 250031；3.山东省高档数控机床技术创新中心，济南 250031）

造纸机械设备上的真空伏辊、压榨辊等辊体为大型环形圆柱形工件，辊体直径为500 ～2 000 mm，长度为3 500 ～8 000 mm，壁厚不大于120 mm。工件圆柱表面径向深孔的加工，见图1、图2 和图3。钻孔直径为3 ～12 mm，钻孔长径比为40 ∶1。多达40 万个径向深孔的加工需要通过高效的加工设备、加工方法和加工程序完成。

图2 工件局部实物图

图3 工件实物图

零件的径向钻孔按螺旋线分布，具有一定的规律性。为实现高效加工，必须采用高效的加工设备、控制方法和加工程序。

1 加工设备的选取和加工方法分析

为实现造纸机辊体径向钻孔的高效高精度加工，采用56 个主轴结构的枪钻数控深孔钻床。机床具备X轴、Z轴和C轴3 个坐标伺服轴，其中X轴控制刀具横向移动，Z轴控制刀具的纵向进给切削，C轴控制工件的旋转分度。3 个坐标伺服轴综合完成该类型工件坐标位置的定位。56 个主轴控制56 支枪钻刀具的同时旋转切削，完成造纸辊体圆周表面径向深孔的高效加工。

加工步骤如下：

（1）利用机床床头箱和尾座将工件两端支撑固定；

（2）刀具设定好坐标零点；

（3）开启冷却系统的高压泵组；

（4）开启钻杆主轴电机，驱动刀具旋转；

（5）开启Z轴双伺服同步进给系统驱动刀具进给，在钻削完第1 组的56 个孔后，床头箱驱动工件旋转某一角度N，钻削第2 组的56 个孔，如此重复，工件旋转一周后，钻削完成工件上第1 段长度上所有的孔；

（6）钻削完同一截面内的孔后，X向（工件轴向）移动某一间距钻削工件第2 段长度上的孔，床头箱驱动工件旋转某一角度S，然后在该截面内重复加工步骤，直到加工完该截面内所有的孔；

（7）按步骤（5）和步骤（6）描述加工完56 个主轴间距A内的所有孔后，加工结束。

采用枪钻法加工方式的多主轴数控深孔钻床，可一次性同步加工56 个长径比为40 ∶1 的小直径深孔，孔径精度IT7，粗糙度R0.4 μm，大幅提高了造纸机零部件的加工精度和加工效率，突破了国外技术封锁，降低了国内外相关需求企业的采购成本，提高了国内造纸机械设备的市场竞争力。

2 多主轴数控深孔钻床宏程序的必要性分析和步骤

在一般的程序编制中，程序字为常量，一个程序只能描述一个几何形状。当工件形状没有发生改变只是尺寸发生改变时，只能重新进行编程，缺乏灵活性和适用性。当被加工的零件形状没有发生变化只是尺寸发生变化时，机床操作者需要在程序中给要发生变化的尺寸加上几个变量再加上必要的计算公式即可。当尺寸发生变化时，只需改变几个变量的赋值参数即可。

造纸机械设备上的真空伏辊、压榨辊等辊体为大型环形圆柱形工件，表面分布有多则40 万个，少则10 万个径向孔。辊体直径、长短有很多不同规格，因此表面分布的钻孔数量和坐标位置均不相同，但是该类型零件的形状均相似。为降低机床操作者的劳动强度和专业知识的需求，根据辊体直径、长度、钻孔数量及深度要求，方便快捷地更改不同工件的加工程序，编写固定格式的宏变量程序，仅改变固有的几个主要参数即可完成相关程序的修改。

该机床采用北京KND 数控系统的软件编辑相应的宏程序，将钻孔工件直径、工件长度、单排钻孔数量、钻孔排数、坐标相对位置及钻孔深度等主要技术参数输入KND 软件系统，利用KND 软件系统处理并计算宏变量参数，将程序转至路径代码，并且将KND软件系统与机床的X轴、Z轴和旋转C轴坐标宏程序联机，构建联机机床的安全距离变量、中断退刀变量、Z轴退刀点变量、钻孔速度变量、钻杆速度变量，利用KND 软件系统自动计算加工孔数和加工圈数[1-2]。该宏程序满足不同规格辊体的加工要求，操作简单快捷。

3 宏程序内容分析

根据辊体直径、长度、钻孔数量及深度要求，计算并设定系统公用宏变量参数[2]，对应的绝对坐标编程时为X、Z、C。辊体工件圆周孔数变量#500、孔距带宽变量#501、X轴平移距离变量#507、C轴旋转角度变量#508 通过公式计算获得后设定。C轴的变量其中l为钻孔间隔弧长，D为钻孔件直径，n为钻孔数量，n-1 为钻孔之间的间隔数量。X轴的变量通过钻孔件的长度进行改变。方案中采用的加工件长度为35.712 cm，钻孔间隔数量为48，其他变量如安全距离#502、中断退刀量#509、Z轴退刀点#503、点钻/钻孔速度#504 和钻杆速度#506 等根据实际需求设定。加工孔数#510 和加工圈数#511 是内部公式自动计算获得显示的，无须人工设定。

具体宏程序如下[3-5]

执行前输入安全数据

IF[#502>20]GOTO10 安全距离判断，如果设定数值大于20，会有报警提示，此为防止操作者误操作而导致不可预见的后果发生;

IF[#504>60]GOTO20 钻孔速度判断，钻孔速度分段，刚入工件是速度判断;

IF[#512>10]GOTO30 快透距离判断;

IF[#513>20]GOTO40 快透速度判断;

M3S30;钻杆主轴启动速度30 转

G4X1;等待1s

G1Z#502F700;Z 退刀达安全点

M77 导向架后退;

G4X1;等待1s

IF[#5044==0]GOTO7 判断C 轴坐标是否为零;

GOTO6;跳转到N6；

N7#510=0 孔数清零;

M111 加工孔数显示清零;

N6;

IF[#5041==0]GOTO8 判断X 轴绝对坐标是否为零;

GOTO9;

N8#511=0;圈数清零;

N9IF[#510==0]GOTO1;判断加工孔数是否为零;

IF[#510>=#500]GOTO4 判断计数大于等于设定数跳转;

G0Z#502 安全距离;

G04X0.5;等待0.5s

N5;

N2M58;C 轴液压抱闸打开

#100=360.0/#500*#510 目标角度值;

G0C#100C 轴旋转到目标角度;

G4X1;等待1s

N1;

M59C 轴锁紧;

M76;导向架前进

G4X2;等待2s

M08 冷却泵开启;

M88 冷却溢流阀开启;

G4X1;等待1s

M03S#506;钻杆按#506 设定速度转动

G4X1.5;等待1.5s

G0Z#503 循环钻孔点;

M96P9001 宏中断打开;

G1Z-10F#513;前段钻孔速度

G1Z-[#505-#512]F#504 第一段钻孔;

M03S3000;钻孔速度3000 转

G1Z-#505F#513 快透钻孔;

G4X1;等待1s

M03S30主轴低速;

M89;冷却溢流阀关闭;

#510+=1;孔数自动加1

M110 计数传位置界面;

G4X2;等待2s

N4G0Z#503;退刀安全点

M77 导向架退出;

M97 宏中断关闭;

M01 选停;

IF[#510<#500]GOTO2 判断已加工孔数;

#510=0;

M111 已加工孔数清零;

#511=#511+1 加工圈数加1;

M77;导向架退出

M58;C 轴液压抱闸打开;

G0C360;C 轴旋转1 圈360°

G1U-#507F200X 轴平移;

G1H#508F2000C 轴下一圈角度旋转;

G50C0;C 轴刀尖所处的位置

M59;C 轴锁紧;

M76;导向架前进

IF[#5041>-#501]GOTO5 判断平移是否大于带宽;

G0Z200;Z 轴退出

M77;导向架退出

G4X2;等待2s;

X5;X 退安全点;

G4X1;等待1s;

X0X 轴回到0 点消隙;

#510=0;加工孔数清零;

M111;显示孔数清零

#511=0;加工圈数清零

M30;

在机床上直接执行加工程序，即可完成工件加工。该钻孔方法根据不同的辊体加工要求设定宏变量，适合加工各种规格的辊体。

4 宏程序的使用效果

该钻孔方法可根据不同的辊体加工要求设定宏变量，满足该类型各种规格尺寸的辊体工件的钻孔加工，通用性好，大大节省了机床操作者程序编辑或修改时间，提高了加工效率。该宏程序可作为多主轴数控枪钻钻削大型造纸辊体的标准化程序。当辊体种类和加工孔数要求变化时，改变宏变量，程序便可使用，无须人工重新编辑程序，减少了操作人员劳动强度，也降低了对操作人员专业技能水平和知识水平的要求。