CN115740636B - 一种中空零件的加工模具及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械制造技术领域，尤其涉及一种中空零件的加工模具及加工方法。加工模具，包括：外部压板、拉杆和底部固定件；外部压板位于拉杆的一端，底部固定件位于拉杆的另一端，外部压板和底部固定件通过拉杆固定连接；外部压板与底部固定件之间设有用于夹合固定预成型中空零件坯体的固定区域；外部压板远离底部固定件一端设有平行于预成型中空零件坯体的内置轴向平行平面的定位块。本发明通过设置与内置平面的径向投影平行的定位块，实现了拟加工平面的可视化定位和校正；同时借助光电自准直仪对定位块的定位精度优化，进一步提高了内置平面的定位精度，较现有技术大幅提高了加工精度。

Description

一种中空零件的加工模具及加工方法

技术领域

本发明涉及金属材料制造技术领域，尤其涉及一种中空零件的加工模具及加工方法。

背景技术

高精密度内部异形中空零件在航空领域有着广泛需求，尤其是针对轻质合金(例如镁铝合金)为代表的新一代航空材料，轻质合金等材料无法焊接或焊接精度难以控制，而铸造工艺对内部异形结构难以满足精度要求；目前轻质合金中空零件的生产以机床加工为主(车、铣等)。

针对高精密度中空零件中平行轴向的内置平面，一种常见的加工方式是：将预成型中空零件坯体固定，调整刀具的坐标位置进行加工；该方法由于刀具行程长、校准和程序控制复杂、存在精度差、校准困难的缺陷；另一种常见的加工方式：将预成型中空零件坯体固定于回转工作台，将刀具限制于有限区域内，通过旋转回转工作台将预成型中空零件坯体的不同区域依次置于刀具有限加工区域内；该方法一般需要借助回转工作台的角度刻度确定回转工作台旋转角度进而完成待加工平面找正。目前现有技术中立式回转工作台分度精度为0.01°，但由于加工过程存在叠加零件变形、其他方向累积误差等因素，组合平面之间的角度公差不易保证，超差风险较大，良品率较低，依然无法满足高精密度加工的要求。目前市场上急需一种高精密度中空零件中平行轴向的内置平面的加工装置和加工方法。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种中空零件的加工模具及加工方法，用以解决现有技术问题中良品率低、加工精度低、受到机床自身精密度影响大等问题中的至少一个。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种中空零件的加工模具，包括：外部压板、拉杆和底部固定件，外部压板位于拉杆的一端，底部固定件位于拉杆的另一端，外部压板和底部固定件通过拉杆固定连接，外部压板与底部固定件之间设有用于夹合固定预成型中空零件坯体的固定区域；所述中空零件内置轴向平行平面，外部压板远离底部固定件一端设有平行于预成型中空零件坯体的内置轴向平行平面的定位块，外部压板中心设有用于加工刀具出入的中心孔洞，定位块设置在中心孔洞的外周边缘实心区域。

优选的，所述定位块设有一个或多个，与所述内置轴向平行平面一一对应。

优选的，通过光电自准直仪器校准多个定位块在径向平面内的投影之间的角度关系。

优选的，通过回转工作台校准和定位多个定位块在外部压板上的布置。

优选的，所述定位块沿其长度方向固定于外部压板(1)的所述外周边缘实心区域；所述定位块的长度与宽度或高度比值＞2。

优选的，在外部压板的本体边缘设置拉杆安装孔；所述拉杆的一端设有螺纹，另一端与底部固定件固定连接，所述螺纹与螺母匹配。

优选的，所述拉杆安装孔、拉杆和螺母形成用于调节外部压板和底部固定件对中空零件压紧程度的活动连接结构。

优选的，拉杆安装孔相对外部压板中心呈中心对称设置。

优选的，边缘实心区域设有多个第一定位通孔；所述第一定位通孔穿设有一端与预成型中空零件坯体轴向活动连接的定位销钉。

内置轴向平行平面的中空零件的加工方法，使用上述的加工模具。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明通过设置与目标中空零件轴向平行的内置平面的径向投影平行的定位块，完成轴向平行的内置平面的径向投影的角度关系向对应定位块角度关系的传递，因而可以将轴向平行的内置平面加工分解为两部分：轴向平行的内置平面找正定位和轴向平行的内置平面切削；因而本发明在加工程序设计时不需要加入定位功能模块，较现有技术中，待加工件固定，仅仅加工刀具切削加工方式，降低了程序设计的复杂程度和加工刀具的伸长量，提高了加工精度和可靠性。

(2)本发明将轴向平行的内置平面的找正转化为对应定位块的水平调整，将完成加工前抽象不可见的目标中空零件的内置平面的位置关系转化为具体可见的定位块之间及定位块与水平面的角度关系；可以在加工内置平面前，通过对定位块测量校正，实现对目标中空零件的内置平面的校正，提高加工精度。

(3)本发明采用预成型中空零件坯体旋转方式实现对预成型中空零件坯体不同区域加工，刀具仅仅需要在待加工区域一侧局部范围内移动，减小了刀具加工行程，和现有技术中加工零件固定，移动刀具至各个加工区域的加工方式相比，降低了刀具因行程增大带来的累计误差，提高了精度。

(4)本发明设置与内置轴向平行平面的径向投影平行的定位块，利用平行的传递规律，将目标中空零件的内置平面在径向平面投影的角度关系转化为定位块间角度关系；进一步地，本发明利用光电自准直仪对定位块间角度关系校正，较立式回转工作台自带角度刻度提高了精度；实现了对目标中空零件的内置平面的精确定位。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明一种实施方式中一种成型内置轴向平行平面的中空零件及加工模具45°俯视视角组装示意图；

图2为本发明一种实施方式中一种成型内置轴向平行平面的中空零件45°俯视视角示意图；

图3为本发明一种实施方式中一种内置轴向平行平面的中空零件A-A面剖视图；

图4为本发明一种实施方式中一种内置轴向平行平面的中空零件毛坯的A-A面剖视图；

图5为本发明一种实施方式中未成型内置轴向平行平面的中空零件与外部压板及定位块45°俯视视角组装示意图；

图6为本发明一种实施方式中一种内置轴向平行平面的中空零件的加工装置及安装方式示意图；

图7为本发明一种实施方式中一种内置轴向平行平面的中空零件的加工方法流程图；

图8为本发明一种实施方式中一种中空零件的内置轴向平行平面的定位方法流程图。

附图标记：

外部压板1；拉杆2；底部固定件3；中空零件4；回转工作台5；机床平台6；机床主轴7，加工刀具8；定位块101；第一定位块1011；第二定位块1012；中心孔洞102；边缘实心区域103；拉杆安装孔104；第一定位通孔105；定位销钉106；第二定位孔401；轴向平行的内置平面402；目标中空零件的内置平面402’；第一内置平面4021；第二内置平面4022；第一待加工平面4021’；第二待加工平面4022’；零件本体403；加工刀具的加工范围405。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

为了清楚地阐述本发明的技术方案，对以下技术术语做进一步限定：

找正：

本发明定义找正为待加工平面和水平面平行状态。

直线l₁与直线l₂两条直线的夹角：

把直线l₁按逆时针方向旋转到与l₂平行时所转的角。

目前现有技术中立式回转工作台分度精度高于0.01°，受限于立式回转工作台精度，待加工平面水平找正精度难以进一步提高；为解决以上问题，本发明提供一种不依赖回转工作台分度精度的一种高精密度中空零件中平行轴向的内置平面的加工装置和加工方法。

一方面，本发明公开一种中空零件的加工模具，如图1所示：包括外部压板1、拉杆2和底部固定件3，外部压板1位于拉杆的一端，底部固定件3位于拉杆2的另一端，外部压板1和底部固定件3通过拉杆2固定连接，外部压板1与底部固定件3之间设有用于夹合固定预成型中空零件坯体的固定区域；外部压板1远离底部固定件3一端(即外端面)设有平行于内置轴向平行平面的定位块101，外部压板1中心设有用于加工刀具8出入的中心孔洞102，定位块101设置在中心孔洞102的外周边缘实心区域103。

具体的，如图2所示，成型的中空零件4为内侧壁设有与轴向平行的内置平面402的中空零件，图3为成型的中空零件4在与轴向平行的内置平面402中心所在径向截面(A-A面)的剖视图：多个轴向平行的内置平面402互不平行。图4为中空零件4的原料毛坯在径向截面(A-A面)的剖视图：中空零件4的原料毛坯为中心对称的圆筒件。

如图1所示：中空零件4的内侧壁设有第一内置平面4021、第二内置平面4022；第一内置平面4021、第二内置平面4022互不平行。

上述中空零件的加工模具的外部压板1外端面设有第一定位块1011和第二定位块1012；第一定位块1011平行于第一内置平面4021，第二定位块1012平行于第二内置平面4022。

定位块101设有一个或多个，和目标中空零件的轴向平行的内置平面402’一一对应。

图5所示为第一内置平面4021、第二内置平面4022未完成加工的状态：预成型中空零件坯体的侧壁设有第一待加工平面4021’、第二待加工平面4022’；虚线处第一待加工平面4021’经加工获得图1中第一内置平面4021，虚线处第二待加工平面4022’经加工获得图1第二内置平面4022；第一定位块1011平行于第一待加工平面4021’，第二定位块1012平行于第二待加工平面4022’；经平行传递，第一内置平面4021、第二内置平面4022夹角与第一待加工平面4021’、第二待加工平面4022’夹角相同。

具体的，如图5所示，由于目标中空零件的内置平面402’轴向平行，其沿轴线向端面的投影为直线段；将定位块101设置为和目标中空零件的内置平面402’沿轴线向端面的投影平行。

实施时，定位块101设置为长条形，固定于外部压板1外端面；定位块径向截面设置为圆形或四边形；根据平行传递原理，通过测量定位块101的水平状态，较为便捷、准确地判断定位块101对应的目标中空零件的内置平面水平状态；且，由于刀具与水平面垂直，通过调整定位块101至水平，即可实现对应的目标中空零件的内置平面的找正。

与现有技术相比，本发明通过设置与目标中空零件的内置平面的径向投影平行的定位块，将目标中空零件的内置平面相对水平面的倾斜角度转化为定位块与水平面夹角，其中目标中空零件的内置平面在完成加工前是抽象不可见的，定位块是具体可见的，这样做的好处是：可以在加工内置平面前对定位块测量校正，实现对目标中空零件的内置平面的校正，提高加工精度。

进一步地，定位块101固定于外部压板1本体；定位块的长度与宽度或高度比值大于2；对定位块101水平状态的检测时，利用定位块较大的长度与宽度或高度比值，有利于在定位块顶部两端获得更灵敏的信号，有利于进一步提高定位块101对应内置平面找正精度。

具体的，多个定位块通过光电自准直仪器校准其径向投影之间的角度关系，在回转工作台对多个定位块101校准和定位；具体的，将外部压板1固定于回转工作台，基于目标中空零件的内置平面的径向投影的夹角，旋转回转工作台确定定位块安装位置。

针对拟加工多个轴向平行的内置平面情形，需要在外部压板1设置与内置平面在径向平面的投影一一平行对应的多个定位块101；根据平行传递原理，任意两个轴向平行的内置平面在径向平面的投影的夹角和二者对应的定位块101在径向平面的夹角相同。

实施时，设置第一定位块101作为基准定位块，根据与基准定位块夹角设置其余定位块。需要说明的是：定位块可以设置在多个满足与基准定位块角度关系的平行线上，同时定位块在同一个平行线上平移存在有多个可行的安装位置，因而需要在外部压板1外侧面选择一个可以无障碍设置所述定位块的安装位置，该安装位置设置的定位块应当对外部压板1同侧面其余结构和功能设置无阻碍。基于此，本发明设置于外部压板1的任意两定位块的夹角和二者对应的轴向平行的内置平面在径向平面的投影的夹角相同；通过上述方法设置的定位块的角度关系对应于目标中空零件的轴向平行内置平面在径向平面的投影的夹角，基于上述定位块找正后加工获得的轴向平行内置平面，其在径向平面的投影的角度关系和设计预期一致。

具体的，如图1所示：中心孔洞102中加工刀具可自由出入，因而可以满足对预成型中空零件坯体的内部的加工；边缘实心区域103外侧用于固定定位块1，内侧与中空零件4压合连接。

进一步地，为了实现底部固定件3、外部压板1的紧固连接，加工模具设有用于调节外部压板1和底部固定件3对中空零件4压紧程度的活动连接结构，如图1所示，活动连接结构包括：在外部压板1的本体边缘设置的拉杆安装孔104；一端设有螺纹，另一端与底部固定件3固定连接的拉杆2及与螺纹匹配的螺母；通过螺母与边缘实心区域103压合连接。螺纹的设置使得拉杆2可以调节底部固定件3、外部压板1的收紧程度，调节预成型中空零件坯体的端面压合强度。

优选的，拉杆安装孔104相对外部压板1中心呈中心对称设置，对应拉杆安装孔104数量的拉杆2穿过拉杆安装孔104与边缘实心区域103固定连接，在相对边缘实心区域103、底部固定件3中心各个方向均匀施力。

同时，为了进一步提高预成型中空零件坯体和模具的紧固程度，防止相对滑动，如图3所示，边缘实心区域103设有多个第一定位通孔105；如图4所示，预成型中空零件坯体与外部压板1连接一侧设有第二定位孔401；第一定位通孔105的一端与预成型中空零件坯体的轴向活动连接；通过定位销钉106与第一定位通孔105、第二定位孔401匹配连接可以将预成型中空零件坯体径向旋转锁止，防止径向相对滑动，保证加工时的稳定性和精度。

具体的，第二定位孔401为一端开放的凹孔，定位销钉106穿过第一定位通孔105，固定于第二定位孔401。

另一方面，本发明公开一种内置轴向平行平面的中空零件的加工装置，除上述加工模具外还包括：立式回转工作台5，立式回转工作台5与底部固定件3背对外部压板1的另一端固定连接，立式回转工作台5与机床平台6的一侧活动连接；机床平台6的另一侧活动连接有机床主轴7，机床主轴7靠近外部压板1的一侧末端连接有加工刀具8。

实施时，通过程序控制将加工刀具8的加工范围限制在相对预成型中空零件坯体的中心一侧的固定区域；对应的，调节立式回转工作台5的旋转角度，使得预成型中空零件坯体不同区域进入加工刀具8加工时所在的固定区域，实现对预成型中空零件坯体不同区域的加工。

需要说明的是，机床的控制程序不包含识别预成型中空零件坯体位置的识别模块，因而对预成型中空零件坯体加工获得对应的目标中空零件的内置平面前，需要对预成型中空零件坯体完成内置待加工平面找正。

与现有技术相比，本发明通过设置与目标中空零件的内置平面的径向投影平行的定位块，完成目标中空零件的内置平面的径向投影的角度关系向对应定位块角度关系的传递，因而可以将目标中空零件的内置平面加工分解为两部分：目标中空零件的内置平面找正定位和目标中空零件的内置平面加工；因而本发明在加工程序设计时不需要加入定位功能模块，较现有技术中，待加工件固定，仅仅加工刀具切削加工方式，降低了程序设计的复杂程度和加工刀具的行程，提高了加工精度和可靠性。

另一方面，本发明提供了一种内置轴向平行平面的中空零件的加工方法，使用上述加工装置，如图7所示，包括以下步骤：

步骤1：于加工模具进刀端外侧设置平行目标中空零件的轴向平行的内置平面的定位块；

具体的，加工模具一端与立式回转工作台固定连接，另一端作为进刀端，根据两个目标中空零件的内置平面径向投影的夹角确认与两个目标中空零件的内置平面平行对应的定位块的夹角，根据定位块的夹角顺次设置各定位块。

实施时，设置第一定位块1011作为基准定位块，根据其余定位块相对基准定位块夹角设置定位块。

需要说明的是：满足与基准定位块角度关系的定位块有多个安装位置，所有安装位置所在直线相互平行且与基准定位块夹角相同；在外部压板1外侧面选择一个安装位置无障碍设置所述定位块，该安装位置设置的定位块应当对外部压板1同侧面其余结构和功能设置无阻碍。基于此，本发明设置于外部压板1的任意两定位块的夹角和二者对应的内置平面在径向平面的投影的夹角相同；通过上述方法设置的定位块的角度关系对应于目标中空零件的轴向平行内置平面在径向平面的投影的夹角，并将目标中空零件的内置平面相对水平面的倾斜角度转化为定位块与水平面夹角。

步骤2：基于所述定位块完成预成型中空零件坯体在所述定位块对应目标中空零件的内置平面的找正；

具体的，调节立式回转工作台旋转角度至定位块水平，基于平行传递原理，可以实现定位块对应的目标中空零件的内置平面水平放置并置于加工刀具的加工范围内，完成目标中空零件的内置平面的找正；加工刀具的加工范围通过程序控制限制在相对中空零件的中心一侧的固定区域。

步骤3：对找正后的预成型中空零件坯体加工获取所述内置平面；具体的，基于加工程序，加工刀具由预成型中空零件坯体内壁向外壁加工去除余料，获取目标中空零件的内置平面。

一方面，待加工轴向平行的内置平面在完成加工前是抽象不可见的，定位块是具体可见的，本发明使用定位块调零的优点是：与现有技术相比，本发明将待加工轴向平行的内置平面的调零转化为对应定位块的水平调整，可以在加工内置平面前对定位块测量校正，实现对待加工轴向平行的内置平面的校正，提高加工精度；

另一方面，刀具的加工误差和其行程成正比，与现有技术相比，本发明采用预成型中空零件坯体旋转方式实现对预成型中空零件坯体不同区域加工，刀具仅仅需要在待加工区域一侧局部范围内移动，降低了刀具加工行程，和现有技术中，刀具在各个加工区域之间累积移动的方式相比，降低了刀具因行程增大带来的累积误差，提高了精度。

具体的，步骤1所述于加工模具进刀端外侧设置平行目标中空零件的内置平面的定位块，包括以下步骤：

S101:通过一组相对加工模具进刀端几何中心呈中心对称的第一定位通孔105将外部压板1同轴固定于卧式回转工作台；以加工模具进刀端几何中心为原点，以初始位置的所述第一定位通孔105的中心连线作为坐标轴x’轴，于初始位置的卧式回转工作台平面内垂直x’轴方向设立坐标轴z’轴，以经过原点垂直坐标轴x’轴、z’轴垂线为y’轴；外部压板1外侧实心区域垂直z’轴方向设置第一定位块1011；需要说明的是，初始位置为外部压板1位置固定卧式回转工作台后任选位置作为初始位置，构建坐标系后，卧式回转工作台旋转，对坐标系无影响。

S102：获取第一定位块1011与第二定位块1012的夹角α，在卧式回转工作台中心区域固定设有多面棱体；将多面棱体旋转α度，在外部压板1外侧实心区域垂直z’轴方向设置第二定位块1012；

S103:基于第一定位块与第M定位块的夹角，步骤同S102，其中M为大于等于3的整数。

需要说明的是，S101-S103在卧式回转工作台实施，不同于步骤1-步骤3所述立式回转工作台：卧式回转工作台的旋转平面水平设置，为卧式加工中心的工作台；立式回转工作台的旋转平面垂直水平面设置。

需要说明的是，为了保证相对第一定位块角度关系一致，S102与S103中设置第二定位块，第三定位块，…，第M定位块，多面棱体旋转方向相同。

具体的，为了对定位块在相对z’轴垂直方向的定位精度进行校准，S101中垂直z’轴方向设置第一定位块1011、S102中垂直z’轴方向设置第二定位块1012及S103中设置第三定位块，…，第M定位块，包含以下步骤：

S1011：将定位块垂直z’轴方向设置；

S1012：在机床主轴上架设百分表并让主轴沿x’轴平移，并依据示数轻轻敲击定位块微调其角度，直至百分表表针在定位块上从一端向另一端滑动时百分表指针示数变化低于阈值，判定定位块严格垂直z’轴方向。

需要说明的，S1011中可以通过肉眼判断或角度尺测量角度方式，将定位块垂直z’轴方向设置；但这两种方式设置的定位块的定位精度无法满足精密加工的要求；因而需要进一步对定位块相对z’轴的垂直关系进一步校正。

实施时，S1012中通过在机床主轴上架设百分表可以实现沿百分表坐标轴x’轴平行移动，百分表位移探头接触定位块一待测侧面；若该待测侧面与坐标轴x’轴不平行，百分表位移探头在待测侧面存在位移变化，导致百分表示数变化；若待测侧面与坐标轴x’轴平行，百分表示数变化不可检测或者为0。

具体的，待测侧面为：平行坐标轴y’轴的定位块侧面。

具体的，引入百分表指针示数变化评价待测侧面与坐标轴x’轴平行程度：η根据精度要求选取；示数变化η满足：η＝S_max-S_min，其中，S_max为百分表指针示数最大值，S_min为百分表指针示数最小值。

具体的，S102中第一定位块1011与第二定位块1012的夹角和第一待加工平面4021’与第二待加工平面4022’在径向平面投影的夹角相同；其中，第一待加工平面4021’与第一定位块1011平行；第二待加工平面4022’与第二定位块1012平行。

具体的，S102中多面棱体旋转α度，包含通过光电自准直仪对多面棱体旋转角度的精度校准。

具体的，光电自准直仪可以测量自身出射光与接收到反射光信号的偏转角，测量精度高于0.8″；通过调整光电自准直仪与多面棱体反射面的夹角，光电自准直仪示数为0时，多面棱体反射面与光电自准直仪出射光方向垂直。

具体的，S102中多面棱体侧面为垂直水平面的尺寸相同的矩形反射面。

具体的，S102中多面棱体的面数N选择需要根据k＝α/(360/N)，k为正整数；其中360/N为多面棱体单一反射面对应的圆心角，为了匹配光电自准直仪对多面棱体反射面的校正，多面棱体的旋转以单一反射面对应的圆心角为基本单元旋转；不足一个基本单元的情形(k不为整数)，应该调整N数值至满足k取正整数，确定多面棱体反射面数，获得合适的多面棱体。

具体的，S102中多面棱体随工作台旋转α度，包含以下步骤：

S1021:将光电自准直仪平行坐标轴x’轴、z’轴所在平面设置；选取S101中第一定位块1011垂直z’轴方向设置时为初始位置，调整光电自准直仪相对x’轴夹角，使得光电自准直仪在多面棱体任选反射面的示数为0，固定光电自准直仪；

S1022:将多面棱体转动k个反射面，微调卧室旋转工作台，调节多面棱体旋转角度使光电自准直仪示数为0，固定多面棱体完成校正；其中，k满足：k＝α×N/360，k为正整数，N为多面棱体反射面数。

需要说明的是，S1022中光电自准直仪示数为0时，光电自准直仪出射光方向和多面棱体由初始位置转动k个反射面后的反射面严格垂直，精度大于0.08″，较卧式回转工作台自带角度刻度具有更高的定位精度。

现有技术中，目标中空零件的内置平面的定位是基于加工机床上立式回转工作台旋转角刻度，因而目标中空零件的内置平面的定位精度受到立式回转工作台旋转角精度的影响；与现有技术相比：一方面，本发明设置与待加工内置轴向平行平面的径向投影平行的定位块，利用平行的传递规律，将目标中空零件的内置平面在径向平面投影的角度关系转化为定位块间角度关系；进一步地，本发明利用光电自准直仪对定位块间角度关系校正，较立式回转工作台自带角度刻度提高了精度，实现了对目标中空零件的内置平面的精确定位。

实施时，步骤2中底部固定件3远离拉杆2的一侧和立式回转工作台固定连接，进而实现预成型中空零件坯体沿轴线旋转，调节定位块至水平，进而实现定位块对应的目标中空零件的内置平面找正。

进一步的，为了提高定位块找正时准确度，步骤2中包含使用百分表对定位块位置度校正，具体包括以下步骤：

S201：调节卧式回转工作台旋转角度，将定位块近似水平设置；

S202：在机床主轴上架设百分表并将主轴沿x’轴在水平面的投影线左右移动，并依据百分表示数微调工作台角度并带动定位块角度变化，直至百分表表针在定位块上从一端向另一端滑动时百分表指针示数变化低于阈值，判定定位块严格水平。

需要说明的，S201中可以通过肉眼判断或角度尺测量角度方式，将定位块近似水平方向设置；但这两种方式设置的定位块的定位精度无法满足精密加工的要求；因而需要进一步对定位块相对z’轴的垂直关系进一步校正。

实施时，S202中通过在机床主轴上架设百分表可以实现沿x’轴平行移动，百分表位移探头接触定位块一待测侧面(顶部或底部侧面)；若该待测侧面与所述投影线不平行，百分表位移探头在待测侧面存在位移变化，导致百分表示数变化；若待测侧面与所述投影线平行，百分表示数变化不可检测或者为0。

具体的，引入百分表指针示数变化评价定位块水平程度：η根据精度要求选取；示数变化η满足：η＝S_max-S_min，其中，S_max为百分表指针示数最大值，S_min为百分表指针示数最小值。

优选的，定位块的长度与宽度或高度比值大于2；定位块长度与宽度或高度比值增大有利于在定位块顶部两端获得更大的高度差，使得百分表具有更大的示数变化，获得更灵敏的信号。

与现有技术相比，本发明通过设置与目标中空零件的内置平面平行的定位块，基于定位块的水平化设置实现目标中空零件的内置平面的找正，避免了立式回转工作台角度刻度精度对目标中空零件的内置平面定位精度的限制。进一步地，本发明通过百分表对拟找正状态的定位块位置度校正，较现有技术大大提高了定位精度，由0.01°提升至0.08″。

可选的，步骤3中加工程序，可以由加工编程软件基于预成型中空零件坯体和加工零件成品的三维模型生成。

具体的，机床加工依据自身设置的x，y，z三坐标轴空间坐标系，其中x轴平行水平面设置，z轴平行加工零件轴向设置，y轴垂直水平面设置；机床加工通过程序设置对完成内置待加工平面找正操作的预成型中空零件坯体内F(x，y，z)加工区域内各点进行切削加工处理。

实施时，通过程序控制将加工刀具8的加工范围限制在相对预成型中空零件坯体的中心一侧的固定区域；对应的，调节立式回转工作台5的旋转角度实现中空零件4不同区域的加工。

需要说明的是，机床的控制程序不包含预成型中空零件坯体位置的识别模块，因而对中空零件4加工获得对应的内置待加工平面前，需要对预成型中空零件坯体完成内置待加工平面找正。

具体的，步骤3利用机床加工零件包含以下步骤：

S301：在编程软件中构建预成型中空零件坯体三维模型和加工零件成品三维模型；

S302：由编程软件基于预成型中空零件坯体三维模型中和加工零件成品三维模型生成加工程序；

S303：由机床基于加工程序对找正后零件加工获得具有对应内置平面的成品零件。

具体的，S301中利用机床自身设置的x，y，z三坐标轴空间坐标系，其中x轴平行水平面设置，y轴平行加工零件轴向设置，z轴垂直水平面设置，构建预成型中空零件坯体三维模型和加工零件成品三维模型；S302由编程软件比较预成型中空零件坯体三维模型和加工零件成品三维模型确认待加工区域F(x，y，z)，生成加工程序。

本领域内，针对零件加工，往往分两次至多次加工成型：一方面防止长时间加工局部过热，刀具和材料膨胀变形，基准位置漂移，影响加工精度；另一方面，不同加工精度对刀具要求不同，粗加工对刀具磨损较大，降低了刀具的使用寿命。

优选的，在步骤1与步骤2之间还包括对预成型中空零件坯体预加工过程，进一步改善以上技术问题，包括以下步骤：

S104：选取一组中心对称的第一定位通孔105，以二者的中心连线为第一定位块的基准线，获取基准线和第一定位块的夹角α₀；

S105：通过加工模具将预成型中空零件坯体固定于回转工作台，获取基准线与水平面倾斜角度α_-，基于夹角α₀和角度α_-获取第一定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t1；基于α_t1完成第一内置平面初步找正；具体的，α_t1满足：α_t1＝α_-+90°-α₀；

S106：对完成第一内置平面初步找正的待加工模具留有0.2mm～0.6mm余量的加工；

S107：基于α_t1和第一待加工平面与第二待加工平面夹角α₁获取第二定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t2，基于α_t1和第一内置平面与第三内置平面夹角α₂获取第三定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t3，…，基于α_t和第N内置平面与第一内置平面夹角α_N获取第N定位块找正所需回转工作台旋转角度α_tN；具体的，第N定位块找正所需回转工作台旋转角度α_tN，满足：α_tN＝α_t1+α_N；基于α_t2，…，α_tN完成第二内置平面，…，第N内置平面初步找正；对完成初步找正的第二内置平面，…，第N内置平面初步找正的预成型中空零件坯体留有0.2mm～0.6mm余量的加工。

优选的，为了保证定位精度，通过光电自准直仪获取基准线和第一定位块的夹角α₀。

本发明在目标中空零件的内置平面在精加工前设有预加工过程，可以去除预成型中空零件坯体中设计的原料余量，减轻精确加工时刀具负担，避免因精加工时间过长导致的刀具过热和原料老化问题，有助于提高加工精度、延长刀具使用寿命。

与现有技术相比，本发明在预加工过程采用回转工作台自带的角度刻度，可以在满足加工精度同时更为迅速地实现找正，提高了加工效率。

具体的，S106-S107利用上述机床加工零件，S106、S107和步骤3中刀具选择硬质合金刀，满足：直径12mm～20mm，倒角半径1mm～3mm，刀具转速800r/min～1500r/min。

具体的，中空零件可选碳钢、不锈钢、钛合金、铝合金、铝镁合金中一种或多种。

优选的，在预加工过程与步骤2之间还包括对预成型中空零件坯体的热处理过程，进一步降低预加工过程残留应力，顺次进行以下步骤：

S108：在120±10℃下，热处理2h～6h，后空冷降温至室温；

S109：在-50±5℃下，处理1h～3h，置于室温回升；

S110：在120±10℃下，热处理2h～6h，后空冷或随炉冷却至室温。

在正温-负温-正温过程中不断产生的热应力与原始残余应力相叠加，超过材料的屈服强度而发生塑性变形，从而使原始残余应力降低，进一步提升筒状件材料塑性和可加工性。

为了说明本发明的技术进步之处，进一步公开以下实施例：

实施例1

本实施例公开一种中空零件的加工模具，如图1所示：在加工模具轴向一端设有外部压板1，另一端设有底部固定件3；外部压板1与底部固定件3之间设有用于夹合固定中空零件4的固定区域并通过拉杆2固定连接；外部压板1远离底部固定件3一侧设有平行目标中空零件的内置平面的定位块101。

图2示出了成型中空零件45°俯视视角；图3示出了轴向平行的内置平面402中心所在径向截面(A-A面)的剖视场景；如图2与图3所示：多个轴向平行的内置平面402互不平行。图4示出了中空零件4的原料毛坯在径向截面(A-A面)的剖视场景，如图3与图4所示：中空零件4的由零件本体403从内至外加工获得。

如图5所示：定位块101为长方体，通过轴向侧面固定于外部压板1；通过测量定位块101的水平状态，较为便捷、准确地判断定位块101对应的目标中空零件的内置平面水平状态；通过调整定位块101至水平，实现对应的目标中空零件的内置平面的找正；同时可以在加工内置平面前对定位块测量校正，实现对目标中空零件的内置平面的校正，提高加工精度。

如图5所示：定位块101设有四个，尺寸相同，定位块的长度与宽度或高度比值取5；宽度与高度相同；较大的长度与宽度或高度比值，有利于在定位块顶部两端获得更灵敏的信号，有利于进一步提高定位块对应内置平面找正精度。

与此同时，多个定位块通过光电自准直仪器校准其径向投影之间的角度关系，通过回转工作台对多个定位块101在外部压板1校准和定位；针对拟加工的多个轴向平行内置平面，需要在外部压板1设置与内置平面在径向平面的投影平行对应的定位块101；根据平行的传递原理，任意两个内置平面在径向平面的投影的夹角和二者对应定位块101的夹角相同。

如图1所示，外部压板1在中心孔洞102外周设有边缘实心区域103，边缘实心区域103设有相对外部压板1中心呈中心对称的拉杆安装孔104；同时拉杆2设有螺纹，通过螺母与边缘实心区域103压合连接，实现底部固定件3、外部压板1的紧固连接。多个拉杆2通过拉杆安装孔104与边缘实心区域103固定连接，在相对边缘实心区域103、底部固定件3中心各个方向均匀施力。

如图3所示，边缘实心区域103设有多个第一定位通孔105；如图4所示，中空零件4与外部压板1连接一侧设有第二定位孔401；通过定位销钉106与第一定位通孔105、第二定位孔401匹配连接可以防止径向相对滑动，保证加工时的稳定性和精度。

第二定位孔401为一端开放的凹孔，定位销钉106穿设过第一定位通孔105，固定于第二定位孔401。

实施例2

本实施例公开一种内置轴向平行平面的中空零件的加工装置，包含实施例1所述加工模具，如图6所示，还包含：立式回转工作台5，立式回转工作台5一端与底部固定件3背对外部压板1的另一端固定连接，立式回转工作台5另一端与机床平台6的一侧活动连接；机床平台6的另一侧活动连接有机床主轴7，机床主轴7靠近外部压板1的一侧末端连接有加工刀具8。

实施时，外部压板1中心设有用于加工刀具8出入的中心孔洞102；通过程序控制将加工刀具8的加工范围限制在相对中空零件4的中心一侧的固定区域；对应的，调节立式回转工作台5的旋转角度，使得中空零件4不同区域进入加工刀具8加工时所在的固定区域，满足中空零件4不同区域的加工。

需要说明的是，机床的控制程序不包含对中空零件4位置的识别模块，因而对中空零件4加工获得对应的内置待加工平面前，需要对中空零件4完成内置待加工平面找正。

作为举例，如图6所示，通过程序控制将加工刀具8的加工范围限制在中空零件4的底部区域；调节回转工作台5相对机床平台6旋转角度至第一定位块1011水平，实现第一待加工平面4021’找正，同时第一待加工平面4021’置于加工刀具8的加工范围405内。

实施例3

本实施例公开一种中空零件内置轴向平行平面的定位方法，使用实施例1所述加工模具，如图8所示，包括以下步骤：

步骤1：于加工模具进刀端外侧设置平行目标中空零件的内置平面的定位块；

具体的，加工模具一端与立式回转工作台固定连接，另一端作为进刀端，根据两个目标中空零件的内置平面径向投影的夹角确认与两个目标中空零件的内置平面平行对应的定位块的夹角，根据定位块的夹角顺次设置各定位块；

步骤2：基于所述定位块将固定于立式回转工作台的预成型中空零件坯体完成在所述定位块对应目标中空零件的内置平面的找正。

具体的，步骤1设置平行目标中空零件的内置平面的定位块包含以下步骤：

S101:将外部压板1以一组相对外部压板1几何中心呈中心对称的第一定位通孔105同轴固定于卧式回转工作台；以加工模具进刀端外侧面几何中心为原点，以初始位置的所述第一定位通孔105的中心连线作为x’轴，于初始位置的卧式回转工作台平面内垂直x’轴方向设立坐标轴z’轴，以经过原点垂直坐标轴x’轴、z’轴垂线为y’轴；外部压板1外侧实心区域垂直z’轴方向设置第一定位块1011；

S102：获取第一定位块1011与第二定位块1012的夹角为60°；，在卧式回转工作台面中心区域固定设有多面棱体；将多面棱体旋转60°，在外部压板1外侧实心区域垂直z’轴方向设置第二定位块1012；

S103:基于第一定位块与第三定位块的夹角(90°)和第一定位块与第四定位块的夹角(120°)，依据S102方法依次设置第三定位块、第四定位块。

进一步地，为提高定位块在外部压板1的定位精度，需要对第一定位块1011、第二定位块1012、第三定位块1013和第四定位块1014相对z’轴的位置关系校正，包含以下步骤：

S1011：通过肉眼判断将定位块近似垂直z’轴方向设置；

S1012：通过在机床主轴上架设百分表可以实现沿百分表坐标轴x’轴平行移动，百分表位移探头接触定位块一待测侧面；计算百分表指针示数变化，调节定位块的角度直至η小于阈值，则判断完成找正。

进一步地，为提高定位块在外部压板1的定位精度，需要对S102中多面棱体旋转α度时旋转精度进行校正，包含以下步骤：

S1021:将光电自准直仪平行坐标轴x’轴、z’轴所在平面设置；选取S101中第一定位块1011垂直z’轴方向设置时为初始位置，调整光电自准直仪相对x’轴夹角，使得光电自准直仪在多面棱体任选反射面的示数为0，固定光电自准直仪；

S1022:针对第二定位块1012，多面棱体反射面数N满足N＝k×360/α＝6k，其中k为正整数，因而综合多面棱体加工难度和成本，可以选择六面棱体、十二面棱体和十八面棱体；将多面棱体转动k个反射面(六面棱体、十二面棱体和十八面棱体对应k值为1、2、3)，微调多面棱体旋转角度使光电自准直仪示数为0，固定多面棱体旋转角度，完成第二定位块校正；同样的方法完成第三定位块、第四定位块校正。

进一步的，为了提高定位块找正时准确度，步骤2中包含使用百分表对定位块位置度校正，具体包括以下步骤：

S201：调节卧式回转工作台旋转角度，通过肉眼判断将定位块近似水平设置；

S202：在机床主轴上架设百分表并将主轴沿预成型中空零件坯体径向平面在水平面的投影线左右移动，并依据百分表示数微调定位块角度，直至百分表表针在定位块上从一端向另一端滑动时百分表指针示数变化η小于阈值，判定定位块严格水平。

定位块的长度与宽度或高度比值设置为5：1：1；定位块长度与宽度或高度比值增大有利于在定位块顶部两端获得更大的高度差，使得百分表具有更大的示数变化，获得更灵敏的信号。

本实施例通过设置与目标中空零件的内置平面平行的定位块，将目标中空零件的内置平面在径向平面投影的角度关系转化为定位块间角度关系，实现目标中空零件的内置平面间相对位置关系定位；同时将目标中空零件的内置平面相对水平面的倾斜角度转化为定位块与水平面夹角，通过确认定位块位置度实现目标中空零件的内置平面找正，进而实现目标中空零件的内置平面相对水平面绝对位置关系定位。

实施例4

本实施例公开一种内置轴向平行平面的中空零件的加工方法，使用实施例1所述加工模具，如图7所示，除实施例3中步骤1和步骤2外，还包括以下步骤：

步骤1与步骤2之间还包括对预成型中空零件坯体预加工过程；

在所述预成型中空零件坯体预加工过程与步骤2之间还包括对预成型中空零件坯体的热处理过程；

步骤2之后设有步骤3：对找正后的预成型中空零件坯体加工获取所述内置平面。

具体的，预成型中空零件坯体预加工过程，包括以下步骤：

S104：选取一组中心对称的第一定位通孔105，以二者的中心连线为第一定位块的基准线，获取基准线和第一定位块的夹角α₀；

S105：通过加工模具将预成型中空零件坯体固定于回转工作台，获取基准线与水平面倾斜角度α_-，基于夹角α₀和角度α_-获取第一定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t1；基于α_t1完成第一内置平面初步找正；具体的，α_t1满足：α_t1＝α_-+90°-α₀；

S106：对完成第一内置平面初步找正的待加工模具留有0.2mm余量的加工；

S107：基于α_t1和第一内置平面与第二内置平面夹角α₁获取第二定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t2，基于α_t1和第一内置平面与第三内置平面夹角α₂获取第三定位块找正所需回转工作台旋转角度α_t3，…，基于α_t和第N内置平面与第一内置平面夹角α_N获取第N定位块找正所需回转工作台旋转角度α_tN；具体的，第N定位块找正所需回转工作台旋转角度α_tN，满足：α_tN＝α_t1+α_N；基于α_t2，…，α_tN完成第二内置平面，…，第N内置平面初步找正；对完成初步找正的第二内置平面，…，第N内置平面初步找正的预成型中空零件坯体留有0.2mm余量的加工。

优选的，为了保证定位精度，通过光电自准直仪获取基准线和第一定位块的夹角α₀。

本实施例通过设置预加工过程，在精度满足前提下进行预加工处理，改善了精加工时间过长导致的基准漂移、刀具过热和原料老化变形的问题，有助于提高加工精度、延长刀具使用寿命。

本发明在目标中空零件的内置平面在精加工前设有预加工过程，可以去除预成型中空零件坯体中设计的原料余量，减轻精确加工时刀具负担，避免因精加工时间过长导致的刀具过热和原料老化问题，有助于提高加工精度、延长刀具使用寿命。

与现有技术相比，本发明在预加工过程采用回转工作台自带的角度刻度，可以在满足加工精度同时更为迅速地实现找正，提高了加工效率。

具体的，S106和步骤3中加工用刀具选择硬质合金刀，满足：直径16mm，倒角半径2mm，刀具转速1000r/min。

具体的，中空零件为钛合金。

优选的，在预加工过程与步骤2之间还包括对预成型中空零件坯体的热处理过程，进一步降低预加工过程残留应力，顺次进行以下步骤：

S108：在120℃下，热处理6h，后空冷降温至室温；

S109：在-50℃下，处理2h，置于室温回升；

S110：在120℃下，热处理6h，后空冷或随炉冷却至室温。

具体的，步骤3和S106-S107利用机床加工零件包含以下步骤：

S301：利用机床自身设置的x，y，z三坐标轴空间坐标系，其中x轴平行水平面设置，y轴平行加工零件轴向设置，z轴垂直水平面设置，构建预成型中空零件坯体三维模型和加工零件成品三维模型；

S302：由编程软件比较预成型中空零件坯体三维模型和加工零件成品三维模型获取待加工区域F(x，y，z)，生成加工程序；

S303：基于加工程序对找正后零件由内至外加工获得具有对应内置平面的成品零件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种中空零件的加工方法，其特征在于，使用如下加工装置，所述加工装置包括加工模具；

所述加工模具包括：外部压板(1)、拉杆(2)和底部固定件(3)；

外部压板(1)位于拉杆(2)的一端，底部固定件(3)位于拉杆(2)的另一端，外部压板(1)和底部固定件(3)通过拉杆(2)固定连接，外部压板(1)与底部固定件(3)之间设有用于夹合固定预成型中空零件坯体的固定区域；

所述中空零件内置轴向平行平面，外部压板(1)远离底部固定件(3)一端设有平行于所述内置轴向平行平面的定位块(101)，外部压板(1)中心设有用于加工刀具(8)出入的中心孔洞(102)，定位块(101)设置在中心孔洞(102)的外周边缘实心区域(103)；

所述加工装置还包括立式回转工作台(5)、机床平台(6)与机床主轴(7)；

所述立式回转工作台(5)与底部固定件(3)背对外部压板(1)的另一端固定连接，所述立式回转工作台(5)与机床平台(6)的一侧活动连接；所述机床平台(6)的另一侧活动连接有机床主轴(7)，所述机床主轴(7)靠近外部压板(1)的一侧末端连接有加工刀具(8)；

所述加工方法包括以下步骤：

步骤1：于加工模具进刀端外侧设置平行目标中空零件的轴向平行的内置平面的定位块；

步骤2：基于所述定位块完成预成型中空零件坯体在所述定位块对应目标中空零件的内置平面的找正；

步骤3：对找正后的预成型中空零件坯体加工获取所述内置平面；

步骤1包括以下步骤：

S101：通过一组相对加工模具进刀端几何中心呈中心对称的第一定位通孔(105)将外部压板(1)同轴固定于卧式回转工作台；以加工模具进刀端几何中心为原点，以初始位置的第一定位通孔(105)的中心连线作为坐标轴x’轴，于初始位置的卧式回转工作台平面内垂直x’轴方向设立坐标轴z’轴，以经过原点垂直坐标轴x’轴、z’轴垂线为y’轴；外部压板(1)外侧实心区域垂直z’轴方向设置第一定位块(1011)；初始位置为外部压板位置固定卧式回转工作台后任选位置作为初始位置，构建坐标系后，卧式回转工作台旋转，对坐标系无影响；

S102：获取第一定位块(1011)与第二定位块(1012)的夹角α，在卧式回转工作台中心区域固定设有多面棱体；将多面棱体旋转α度，在外部压板(1)外侧实心区域垂直z’轴方向设置第二定位块(1012)；

S103：基于第一定位块与第M定位块的夹角，步骤同S102，设置第M定位块，其中M为大于等于3的整数；

S102中多面棱体随工作台旋转α度，包含以下步骤：

S1021:将光电自准直仪平行坐标轴x’轴、z’轴所在平面设置；选取S101中第一定位块垂直z’轴方向设置时为初始位置，调整光电自准直仪相对x’轴夹角，使得光电自准直仪在多面棱体任选反射面的示数为0，固定光电自准直仪；

S1022:将多面棱体转动k个反射面，微调卧室旋转工作台，调节多面棱体旋转角度使光电自准直仪示数为0，固定多面棱体完成校正；其中，k满足：k＝α×N/360，k为正整数，N为多面棱体反射面数。

2.根据权利要求1所述的中空零件的加工方法，其特征在于，所述定位块(101)设有一个或多个，与所述内置轴向平行平面一一对应。

3.根据权利要求2所述的中空零件的加工方法，其特征在于，通过光电自准直仪器校准多个定位块(101)在径向平面内的投影之间的角度关系。

4.根据权利要求3所述的中空零件的加工方法，其特征在于，通过回转工作台校准和定位多个定位块(101)在外部压板(1)上的布置。

5.根据权利要求1所述的中空零件的加工方法，其特征在于，所述定位块(101)沿其长度方向固定于外部压板(1)的所述外周边缘实心区域；所述定位块(101)的长度与宽度或高度比值＞2。

6.根据权利要求1所述的中空零件的加工方法，其特征在于，在外部压板(1)的本体边缘设置拉杆安装孔(104)；所述拉杆(2)的一端设有螺纹，另一端与底部固定件(3)固定连接，所述螺纹与螺母匹配。

7.根据权利要求6所述的中空零件的加工方法，其特征在于，所述拉杆安装孔(104)、拉杆(2)和螺母形成用于调节外部压板(1)和底部固定件(3)对中空零件(4)压紧程度的活动连接结构。

8.根据权利要求6所述的中空零件的加工方法，其特征在于，拉杆安装孔(104)相对外部压板(1)中心呈中心对称设置。

9.根据权利要求1所述的中空零件的加工方法，其特征在于，外周边缘实心区域(103)设有多个第一定位通孔(105)；所述第一定位通孔(105)穿设有一端与预成型中空零件坯体轴向活动连接的定位销钉(106)。