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1、(10)申请公布号 CN 103909283 A (43)申请公布日 2014.07.09 CN 103909283 A (21)申请号 201410127110.4 (22)申请日 2014.04.01 B23B 35/00(2006.01) (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路 2 号 (72)发明人 刘海波 王永青 贾振元 董江华 卢博 薄其乐 王福吉 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 关慧贞 (54) 发明名称 一种对偶小孔精密加工方法 (57) 摘要 本发明一种对偶小孔精密加工方法属于小孔 加工领域， 特别涉及一种。
2、对偶小孔精密加工方法。 该方法中， 先将工件装夹在五坐标数控钻削机床 的回转工作台上， 数控加工对偶小孔的第一个孔， 采用接触式测头在机分层检测第一个孔的实际 内廓形， 采用最小二乘法计算第一个孔的实际轴 线， 按照对撞点的设计参数要求， 反算出第二个孔 的入钻点坐标， 并重新生成第二个孔的数控加工 程序， 自动完成第二个孔的加工。本发明基于测 量 - 加工一体化策略， 在工件一次装卡下完成对 偶小孔的廓形测量、 数据处理、 孔加工， 能够满足 不同直径、 不同倾角对偶小孔对撞精度的加工要 求， 加工效率高、 精度一致性好， 通过加工误差在 对撞点处 “归零” 处理， 实现了对偶小孔精密加工。。
3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103909283 A CN 103909283 A 1/2 页 2 1. 一种对偶小孔精密加工方法， 其特征在于， 精密加工方法中， 先将工件装夹在五坐 标数控钻削机床的回转工作台上， 按照原始设计数控加工对偶小孔的第一个孔， 然后， 采用 接触式测头在机分层检测第一个孔的实际内廓形， 采用最小二乘法计算第一个孔的实际轴 线， 按照对撞点的设计参数要求， 反算出第二个孔的入钻点坐标， 并重新生成。
4、第二个孔的数 控加工程序， 自动完成第二个孔的加工 ； 对偶小孔精密加工方法的具体步骤如下 ： 第一步工件装夹 将工件 （2） 放置在回转工作台 （1） 上， 并调整工件 （2） 与回转工作台 （1） 同轴， 四个带 螺栓的压板 （3） 均布于回转工作台 （1） 上， 压板 （3） 压紧工件 （2） ， 完成装夹 ； 第二步加工对偶小孔的第一个孔 （a） （1） 回转工作台 （1） 将参考基面 （c） 调至水平， 钻头 （4） 快速移动至第一个孔 （a） 的加 工参考点 （Q2） ， 钻头 （4） 中心线与参考基面 （c） 的交点即为第一个孔 （a） 的入钻点 （Q3） ， 且 第一个孔 （a。
5、） 的入钻点 （Q3） 距离工件回转中心 O 的距离为 R ； （2） 回转工作台 （1） 绕 A 轴正向旋转第一个孔 （a） 的倾角 （） ， 调整第一个孔 （a） 轴线 至竖直状态， 钻头 （4） 沿 Y 轴平移 Hsin(-)， 其中 H 为 A 轴回转时参考基面 （c） 的偏置距 离， sin(-) 表示角度 - 的正弦值 ； （3） 钻头 （4） 沿 Z 轴作一维直线进给运动， 到达钻削深度后， 退刀至第一个孔 （a） 的加 工参考点 （Q2） ， 自动完成第一个孔 （a） 的数控加工 ； 第三步接触式分层在机检测第一个孔 （a） 内廓形 （1） 卸掉钻头 （4） ， 安装接触式测头。
6、 （5） ， 转换至测量模式 ； 在第一个孔 （a） 轴线方向上 等距选取 5 个测量层， 每个测量层选定 4 个周向均布的待测点 ； （2） 接触式测头 （5） 沿 Z 轴由测量参考点 （Q4） 移动至第一测量层 （L1） 的位置 Z1； 接触 式测头 （5） 沿 X 轴正向慢速运动， 触碰第一个孔 （a） 的内壁后自动原路返回， 采集系统自动 记录触发时刻第一测量层 （L1） 的第 1 个待测点坐标 P11（x11,y11） ； （3） 接着， 按照操作步 （2） 的检测过程， 接触式测头 （5） 分别检测 Y 轴负向、 X 轴负向 和 Y 轴正向的待测点， 得第一测量层 （L1） 上的其。
7、余 3 个待测点坐标分别为 P12（x12,y12） 、 P13 （x13,y13） 、 P14（x14,y14） ； （4） 完成第一测量层 （L1） 各点检测后， 接触式测头 （5） 依次运动至第 i 测量层 （Li） 位 置 Zi（i=2,3,4,5） ， 重复操作步 （2） 和操作步 （3） 的检测过程， 获得各测量层的测点坐标 Pij （xij,yij） （i=2,5 ； j=1,4） ， 完成第一个孔 （a） 在机接触式分层检测 ； 第四步基于最小二乘法计算第一个孔 （a） 的实际轴线 （1） 在第一测量层 （L1） 的测量点集 P1j， j=1,4 中任意取出三个测量点计算三点组。
8、 成圆的圆心坐标， 存在 4 种可选组合， 则可计算出 4 组圆心坐标， 取平均后作为第一测量层 （L1） 的圆心坐标 ； 首先选择第 1 组数据 P11,P12,P13 计算第 1 个的圆心坐标 （X11,Y11） ， 计算 公式为， 其中，（x1,y1） 、（x2,y2） 、（x3,y3） 分别为第 1 组数据中 P11、 P12、 P13的坐标 ； 权 利 要 求 书 CN 103909283 A 2 2/2 页 3 （2） 利用公式 （1） ， 分别计算其余 3 组数据 P11,P12,P14、 P11,P13,P14、 P12,P13,P14 对 应的圆心坐标 （X12,Y12） 、。
9、（X13,Y13） 、（X14,Y14） ， 对已计算出的圆心坐标求平均， 得到第一测量 层 （L1） 圆心坐标 （X1,Y1） ； （3） 重复操作步 （1） 和操作步 （2） 的计算过程， 依次计算出第 i 测量层 （Li） 的圆心坐标 （Xi,Yi）（i=2,5） ， 为便于后续计算， 将计算出的圆心坐标存储为三维坐标形式 （Xi,Yi,Zi） （i=1,5） ； （4） 回转工作台 （1） 绕 A 轴负向旋转第一个孔 （a） 的倾角 （） ， 将参考基面 （c） 调至水 平， 则各测量层的圆心坐标由 （Xi,Yi,Zi） 变换为 （Xi ,Yi ,Zi） （i=1,5） ， 变换公式 。
10、为， （5） 基于最小二乘原理计算第一个孔 （a） 的实际轴线 （e） 的参数 m、 n、 x0、 y0， 计算公式 如下， 进而得到第一个孔 （a） 的实际轴线 （e） 方程为， 第五步加工对偶小孔的第二个孔 （b） （1） 更换钻头 （4） ， 调整至加工模式 ； （2） 回转工作台 （1） 绕 C 轴正向旋转第二个孔 （b） 的角度增量 （） ， 计算公式为， 其中， 为第二个孔 （b）的倾角， h0为对撞点的设计高度， cos-1表示反余弦函数， cot() 表示 角的余切值， sign 表示取符号函数 ； （3） 回转工作台 （1） 绕 A 轴负向旋转第二个孔 （b） 的倾角 （） 。
11、， 钻头 （4） 由第一个孔 （a） 的加工参考点 （Q2） 分别沿 Y 轴平移 Hsin()、 沿 X 轴平移 至第二个孔 （b） 的加工参考点 （Q7） ， 则钻头 （4） 中心线与参考基面 （c） 的交点即为第二个孔 （b） 的入钻点 （Q6） ； （4） 钻头 （4） 沿 Z 轴作一维直线进给运动， 到达钻削深度后， 退刀至第二个孔 （b） 的加 工参考点 （Q7） ， 自动完成第二个孔 （b） 的数控加工。 权 利 要 求 书 CN 103909283 A 3 1/5 页 4 一种对偶小孔精密加工方法 技术领域 0001 本发明属于小孔加工领域， 特别涉及一种对偶小孔精密加工方法。 。
12、背景技术 0002 随着航天装备服役性能的不断提升， 对液体火箭发动机的制造质量提出了更高的 要求。喷注器盘是大型液体火箭发动机的关键件之一， 也是难加工零件。喷注器盘上设计 有不同直径尺寸的数百对小孔， 组成孔阵， 以实现燃烧剂和氧化剂高压喷出后高速对撞、 快 速雾化， 并形成一个稳定的燃烧面。为保证雾化效果、 介质燃烧稳定， 对偶小孔的对撞精度 至关重要， 要求加工后两对偶孔的实际轴线应相交于某特定的空间位置， 进而多个对耦小 孔轴线的空间交点可形成一个对撞面。因此， 对偶小孔的加工尤其需要保证对撞点的空间 位置精度。该类小孔具有如下加工难点 ： 孔直径 1mm-3mm、 斜孔、 不锈钢和。
13、钛合金等材料难 加工、 对撞点的空间位置精度高等。那么， 采用通用数控钻床， 按照对偶小孔的原始设计进 行单纯的数控加工， 即使单个孔的加工误差能控制在公差范围内， 由于两个孔的加工误差 在对撞点处积聚， 导致对偶小孔的对撞精度仍将无法达到设计要求。 因此， 如何精密保证喷 注盘对偶小孔的对撞精度已成为大型液体火箭发动机喷注器盘制造过程中迫切需要解决 的关键问题之一。 0003 2003 年， 游健民在 火箭推进 第 29 卷第 3 期发表文章 喷注器盘的小孔加工 中 介绍了一种火箭发动机喷注器盘对偶小孔手动钻削方法， 即按照图纸设计对对偶孔中的单 个孔分别加工， 加工过程中的倾角调整、 孔分。
14、度以及钻削进给均由人工操作机床完成。 该工 艺方法严重依赖于操作者的加工经验， 加工效率低、 精度一致性差。2009 年， 黄立德主编的 液体弹道导弹与运载火箭系列发动机制造技术 第 1 版第 3 次印刷的丛书中指出喷注器 盘小孔数控钻削方法具有适应性强、 机床精度高、 操作方便、 加工自动化程度高等优点， 但 仍仅面向单个倾斜小孔的加工。另外， 国内外学者和机构发展了一些微 / 小孔特种加工方 法， 如振动钻削、 电火花加工、 激光加工等， 大多针对直孔型微 / 小孔的加工， 尚未提及对偶 小孔的加工方法和精度保障技术。 发明内容 0004 本发明主要解决的技术问题是克服上述传统加工方法的不。
15、足， 针对对偶小孔加工 过程中因加工误差终端积聚导致的对撞点空间位置精度难以保证的难题， 发明了一种对偶 小孔精密加工方法。该方法基于测量 - 加工一体化策略对一种对偶小孔进行精密加工， 加 工工艺柔性好、 自动化程度高。 根据已加工出的第一个孔的实际轴线， 按照对撞点的设计参 数要求， 反算第二个孔的待加工位置， 重新生成第二个孔的加工程序， 实现了加工误差在对 撞点处 “归零” ， 保证了对偶小孔的对撞精度。 孔内廓形接触式分层在机检测， 采用最小二乘 方法计算实际轴线， 降低了测量误差对计算结果的影响， 提高了计算精度。并且， 在统一基 准条件下完成了测量与加工数据转换， 数据处理效率高。
16、。在工件一次装卡下完成对偶小孔 的廓形测量、 数据处理、 孔加工， 能够满足不同直径尺寸、 不同倾斜角度对偶小孔对撞精度 说 明 书 CN 103909283 A 4 2/5 页 5 的加工要求， 加工效率高、 精度一致性好， 实现了对偶小孔精密加工。 0005 本发明采用的技术方案是一种对偶小孔精密加工方法， 该方法先将工件装夹在五 坐标数控钻削机床的回转工作台上， 按照原始设计数控加工对偶小孔的第一个孔， 然后， 采 用接触式测头在机分层检测第一个孔的实际内廓形， 采用最小二乘方法计算第一个孔实际 轴线， 按照对撞点的设计参数要求， 反算出第二个孔的加工位置， 并重新生成第二个孔的数 控加。
17、工程序， 自动完成加工。 0006 对偶小孔精密加工方法的具体步骤如下 ： 0007 第一步工件装夹 0008 将工件 2 放置在回转工作台 1 上， 并调整工件 2 与回转工作台 1 同轴， 四个带螺栓 的压板 3 均布于回转工作台 1 上， 压板 3 压紧工件 2， 完成装夹。 0009 第二步加工对偶小孔的第一个孔 a 0010 （1） 回转工作台 1 将参考基面 c 调至水平， 钻头 4 快速移动至第一个孔 a 的加工参 考点 Q2， 钻头 4 中心线与参考基面 c 的交点即为第一个孔 a 的入钻点 Q3， 且第一个孔 a 的入 钻点 Q3距离工件回转中心 O 的距离为 R。 0011。
18、 （2）回转工作台 1 绕 A 轴正向旋转第一个孔 a 的倾角 ， 调整第一个孔 a 轴线 至竖直状态， 钻头 4 沿 Y 轴平移 Hsin(-)， 其中 H 为 A 轴回转时参考基面 c 的偏置距离， sin(-) 表示角度 - 的正弦值。 0012 （3） 钻头 4 沿 Z 轴作一维直线进给运动， 到达钻削深度后， 退刀至第一个孔 a 的加 工参考点 Q2， 自动完成第一个孔 a 的数控加工。 0013 第三步接触式分层在机检测第一个孔 a 的内廓形 0014 （1） 卸掉钻头 4， 安装接触式测头 5， 转换至测量模式 ； 在第一个孔 a 轴线方向上等 距选取 5 个测量层， 每个测量层。
19、选定 4 个周向均布的待测点 ； 0015 （2） 接触式测头 5 沿 Z 轴由测量参考点 Q4平移至第一测量层 L1的位置 Z1； 接触式 测头 5 沿 X 轴正向慢速运动， 触碰第一个孔 a 的内壁后自动原路返回， 采集系统自动记录触 发时刻第一测量层 L1的第 1 个待测点坐标 P11（x11,y11） 。 0016 （3） 接着， 按照操作步 （2） 的检测过程， 接触式测头 5 分别检测 Y 轴负向、 X 轴负 向和 Y 轴正向的待测点， 得第一测量层 L1上的其余 3 个待测点坐标分别为 P12（x12,y12） 、 P13 （x13,y13） 、 P14（x14,y14） 。 0。
20、017 （4） 完成第一测量层 L1各点检测后， 接触式测头 5 依次运动至第 i 测量层 Li位置 Zi（i=2,3,4,5） ， 重复操作步 （2） 和操作步 （3） 的检测过程， 获得各测量层的测点坐标 Pij （xij,yij） （i=2,5 ； j=1,4） ， 完成第一个孔 a 在机接触式分层检测。 0018 第四步基于最小二乘法计算第一个孔 a 的实际轴线 0019 （1） 在第一测量层 L1的测量点集 P1j， j=1,4 中任意取出三个测量点计算三 点组成圆的圆心坐标， 存在 4 种可选组合， 则可计算出 4 组圆心坐标， 取平均后作为第一测 量层 L1的圆心坐标 ； 首先选。
21、择第 1 组数据 P11,P12,P13 计算第 1 个的圆心坐标 （X11,Y11） ， 计 算公式为， 说 明 书 CN 103909283 A 5 3/5 页 6 0020 0021 其中，（x1,y1） 、（x2,y2） 、（x3,y3） 分别为第 1 组数据中 P11、 P12、 P13的坐标。 0022 （2） 利用公式 （1） ， 分别计算其余 3 组数据 P11,P12,P14、 P11,P13,P14、 P12,P13,P14 对应的圆心坐标 （X12,Y12） 、（X13,Y13） 、（X14,Y14） ， 对已计算出的圆心坐标求平均， 得到第一测 量层 L1圆心坐标 （X。
22、1,Y1） 。 0023 （3）重复操作步 （1）和操作步 （2）的计算过程， 依次计算出第 i 测量层 Li的圆 心坐标 （Xi,Yi） （i=2,5） ， 为便于后续计算， 将计算出的圆心坐标存储为三维坐标形式 （Xi,Yi,Zi） （i=1,5） 。 0024 （4） 回转工作台 1 绕 A 轴负向旋转第一个孔 a 的倾角 ， 将参考基面 c 调至水平， 则各测量层的圆心坐标由 （Xi,Yi,Zi） 变换为 （Xi ,Yi ,Zi） （i=1,5） ， 变换公式为， 0025 0026 （5） 基于最小二乘原理计算第一个孔 a 的实际轴线 e 的参数 m、 n、 x0、 y0， 计算公式。
23、 如下， 0027 0028 进而得到第一个孔 a 的实际轴线 e 方程为， 0029 0030 第五步加工对偶小孔的第二个孔 b 0031 （1） 更换钻头 4， 调整至加工模式。 0032 （2） 回转工作台 1 绕 C 轴正向旋转第二个孔 b 的角度增量 ， 计算公式为， 0033 0034 其中， 为第二个孔 b 的倾角， h0为对撞点的设计高度， cos-1表示反余弦函数， cot() 表示 角的余切值， sign 表示取符号函数。 0035 （3） 回转工作台 1 绕 A 轴负向旋转第二个孔 b 的倾角 ， 钻头 4 由第一个孔 a 的 加工参考点 Q2分别沿 Y 轴平移 Hsin。
24、()、 沿 X 轴平移至 第二个孔 b 的加工参考点 Q7， 则钻头 4 中心线与参考基面 c 的交点即为第二个孔 b 的入钻 说 明 书 CN 103909283 A 6 4/5 页 7 点 Q6。 0036 （4） 钻头 4 沿 Z 轴作一维直线进给运动， 到达钻削深度后， 退刀至第二个孔 b 的加 工参考点 Q7， 自动完成第二个孔 b 的数控加工。 0037 本发明的效果是 ： 对偶小孔 “接触式测量 - 数控加工” 一体化的加工方法， 方法与 机床集成度高 ； 小孔内廓形在机接触式分层检测、 误差平均处理， 算法滤波能力强、 计算结 果可靠 ； 在统一基准条件下完成了测量与加工的数据。
25、转换， 数据处理效率高 ； 通过加工误 差在对撞点处 “归零” 处理， 消除了两个孔的加工误差累积对最终对撞精度的影响， 对撞精 度一致性好 ； 系统自动完成对偶小孔的廓形测量、 数据处理与孔加工操作， 加工效率高。 附图说明 0038 附图 1- 工件装夹示意图， 其中 ： 1- 回转工作台， 2- 工件， 3- 压板， X、 Y 和 Z- 坐标 系 OXYZ 的 X 轴、 Y 轴和 Z 轴， A- 进给轴 A 轴， C- 进给轴 C 轴。 0039 附图 2- 对偶小孔加工原理图， 其中 ： 4- 钻头， a- 第一个孔， b- 第二个孔， c- 参考 基面， h0- 对撞点的设计高度， 。
26、- 第一个孔 a 的倾角， - 第二个孔 b 的倾角， Q1- 设计对撞 点， Q2- 第一个孔 a 的加工参考点， Q3- 第一个孔 a 的入钻点。 0040 附图 3- 第一个孔 a 廓形检测示意图， 附图 4- 第 1 测量层 L1测点分布图。其中 ： 5- 接触式测头， Q4- 测量参考点， L1- 第 1 测量层， L2- 第 2 测量层， L3- 第 3 测量层， L4- 第 4 测量层， L5- 第 5 测量层， B-B- 第 1 测量层 L1的局部剖视图， P11- 第 1 测量层 L1的第 1 测 点， P12- 第 1 测量层 L1的第 2 测点， P13- 第 1 测量层。
27、 L1的第 3 测点， P14- 第 1 测量层 L1的第 4 测点。 0041 附图 5- 第二个孔 b 入钻点反算几何关系图， 其中 ： e- 第一个孔 a 的实际轴线， Q5- 第一个孔 a 在参考基面 c 上的出口中心， Q6- 第二个孔 b 的入钻点， Q 1- 实际对撞点。 0042 附图 6- 第二个孔 b 的加工示意图， 其中 ： Q7- 第二个孔 b 的加工参考点。 具体实施方式 0043 结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式， 说明对偶小孔精密加工过程。 工件直径 450mm、 厚度 10mm， 对偶小孔的孔径均为 1mm， 对撞点设计高度 h0为 15mm， 倾角 。
28、和倾角 均为 45 度， 距离 R 为 200mm， 距离 H 为 10mm， 两个对偶小孔均为通孔。 0044 第一步， 在工件 2 装夹前， 首先保证机床主轴处于安全位置， 以免发生碰撞 ； 如图 1 所示， 将工件 2 安放在回转工作台 1 上， 调整工件 2 与回转工作台 1 同轴， 四个带螺栓的压 板 3 均布于回转工作台 1 上， 压板 3 压紧工件 2， 完成装夹。 0045 第二步， 自动完成第一个孔a的加工， 如附图2， 钻头移动至第一个孔a的加工参考 点Q2（-200,0,50） ， 回转工作台1绕A轴正向旋转=45度， 钻头4沿Y轴平移-7.07mm， 钻头 4沿Z轴按进。
29、给速度100mm/min直线进给至第一个孔a的工进参考点 （-200,-7.07,-1.93） ， 然后按速度 0.8mm/min 慢速钻削， 加工至通孔深度后， 退刀至 Q2（-200,0,50） ， 完成第一个 孔 a 的数控加工。 0046 第三步， 更换接触式测头 5， 测头直径 0.5mm， 转换至测量模式。接触式测头 5 移动 至测量参考点 Q4（-200,0,20） ， 如附图 3 所示。设定 5 个测量层， 层间距离为 2.5mm， 各层 Z 轴坐标分别为 Z1=-5mm、 Z2=-7.5mm、 Z3=-10mm、 Z4=-12.5mm、 Z5=-15mm。系统启动自动接触采 。
30、说 明 书 CN 103909283 A 7 5/5 页 8 集模式。如附图 4 所示， 接触式测头 5 分别沿 X 轴正向、 Y 轴负向、 X 轴负向和 Y 轴正向按趋 近速度 10mm/min 触碰第一个孔 a 内壁， 发出触发信号后， 接触式测头 5 自动原路返回。采 集系统自动记录触发时刻各待测点坐标 P1j（j=1,4） 。接着， 接触式测头 5 沿 Z 轴坐 标增量 -2.5mm， 至 L2层， 重复上述采集过程， 依次完成各测量层采集， 得到共 20 个数据点。 测量完毕后， 将接触式测头 5 退出至测量参考点 Q4， 完成孔 a 内廓形测量。 0047 第四步， 在上位机中进行。
31、第一个孔 a 实际轴线 e 的计算， 几何关系如附图 5 所示。 首先利用公式 （1） 和平均算法计算各测量层圆心坐标， 并将计算后的数据存储为三维格式。 按公式 （2） 进行坐标变换， 以获得参考基面 c 水平状态下的各测点坐标， 并按公式 （3） 计算 得到第一个孔 a 的实际轴线 e 参数分别为 ： x0=0.271， y0=-0.458， m=-0.115， n=1.073， 代入 公式 （4） 得到实际轴线 e 方程。 0048 第五步， 更换钻头 4， 自动完成第二个孔 b 的加工， 如附图 6 所示， 回转工作台 1 首 先绕 C 轴正向旋转 =1.543 度， 接着绕 A 轴负。
32、向旋转倾角 =45 度 ； 钻头 4 移动至第二个 孔 b 的加工参考点 Q7（-203.27,7.07,50） ； 钻头 4 沿 Z 轴直线切削进给， 按速度 100mm/min 进给至第二个孔b的工进参考点 （-203.27,7.07,-1.93） ， 然后按速度0.8mm/min慢速钻削， 加工至通孔深度， 退刀至 Q7（-203.27,7.07,50） ， 自动完成第二个孔 b 的数控加工。 0049 本发明实现了在工件一次装卡下完成对偶小孔的廓形测量、 数据处理、 孔加工， 能 够满足不同直径尺寸、 不同倾角对偶小孔对撞精度的加工要求， 加工效率高、 精度一致性 好， 实现了对偶小孔精密加工。 说 明 书 CN 103909283 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103909283 A 9 2/3 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103909283 A 10 3/3 页 11 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103909283 A 11 。