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多軸車床非圓車削加工的實現

2016-8-12 來源（yuán）：中國工（gōng）程物（wù）理研（yán）究院機械製造工藝研究所作者：李廣正李佳偉周茂書

摘要：創新性（xìng）的提出了一種非圓車削加工方法。非圓車削相比與銑削加（jiā）工方式具（jù）有刀具適應性強的特（tè）點，加（jiā）工特殊（shū）結構零件時能極大（dà）的提高加工（gōng）效率、降（jiàng）低成本。該方法利用多軸車床現（xiàn）有功能，通過增加Y軸運動，解決了傳統非圓（yuán）車削中不可避免的刀具工作角度變化的問題，同時討論了非圓規（guī）則截麵車削的編程方（fāng）法，通過加工驗證該方法是可行的。

關鍵詞：非（fēi）圓車削；多軸車床；偏心（xīn）圓弧（hú）；刀具工作角度

0、引言

車削加工和銑削加工是機械（xiè）加工中最常用的兩種（zhǒng）加工方式，其各自有明確（què）的加（jiā）工對象、刀具以及編程方法（fǎ）。傳統的車削方法隻能加工回轉類結構的零件。對於非圓截麵(如凸輪)或是回轉體（tǐ）上有凸台等結構的零，件，傳統車床是（shì）無（wú）法加工（gōng）的。

圖l典型的非回（huí）轉體零件加工

如圖1所示，若（ruò）采用側刃銑削外型麵，則要求刀具具有（yǒu）較（jiào）長（zhǎng）的刃長，而在對工件內腔進行銑（xǐ）削時，為了避免刀具幹涉（shè），常采用角（jiǎo）度頭加球頭銑刀的加工方式（shì），刀具剛度減弱，切削條件惡劣，切削表麵質量差且切削效率也受到影響。而車削過程中切削路徑為連續軌跡，切削質（zhì）量通（tōng）常較高，且（qiě）車刀（dāo）不受工件（jiàn）曲率半徑約束，對零件適應性（xìng）較好。因此，對於特殊的非回轉體類零件，以車（chē）代銑是工藝優（yōu）化的方向（xiàng）。

從幾何形狀上看，非圓截麵上各處（chù）徑向尺寸隨轉角（jiǎo）連續變化，為了實現（xiàn）非圓截（jié）麵的車削，最（zuì）直接的方式就是在一（yī）個車削回（huí）轉周期上進行快速的X軸（zhóu）徑向插補，文獻中利用UG和MALAB軟（ruǎn）件生成可用（yòng）於車床的數控代碼n】，但是此時刀具的工作（zuò）前（qián）後角隨著轉角不（bú）斷變化，尤其是在非圓度較大的地方。這種切削角度不斷變化會引起切削力波動（dòng），影響（xiǎng）加工（gōng）表麵質（zhì）量，還可能存在負後角的地方，發生刀具幹涉。文獻【2】基於傳統兩軸（zhóu）機床，設（shè）計了一種複合機構，控製刀具的位置與姿態，使刀具保持理想的工（gōng）作角（jiǎo）度，但是需要額外的運動機構和控製係統，實現起來較複（fù）雜（zá）。

為了實現恒定的刀具工作角度，筆者利用（yòng）機床已有的功能，在不增加額外運動機構的情況下，提出（chū）了一種新的非圓截麵車削加工方案（àn）。

1、恒角度（dù）非圓車削實現（xiàn）

凸輪為典型的非圓零件，如果把凸輪作為驅動件（jiàn），從動件為假想刀具，接觸點（diǎn）為假想切削點，則研（yán）究凸輪機構中接觸點的（de）運動軌（guǐ）跡（jì）可以幫助理解刀具在非圓車削時（shí）的運動（dòng）軌跡與姿態。根據從動件的幾何形狀，可分為三種情況：1)尖底；2)滾子；3)平底，三種凸輪機構及其對（duì）應接觸（chù）點的法（fǎ）向矢量示（shì）意如（rú）圖2所示。

圖2凸輪機（jī）構接觸點法向矢量示意

刀具的工作基麵是根據切削速度矢量建立的，根據文獻【2】，非圓車削時的合成切削速度方向即為非圓輪廓曲線過（guò）切（qiē）削點的瞬時切線方向。在尖（jiān）底（dǐ）和滾子凸輪機構中，過接觸點的瞬時切線方（fāng）向都在不斷（duàn）變化，因此為了實現恒定刀具工作角度，需要根據非圓輪廓調整刀具的姿態。而在平底凸輪（lún）機構運動過程（chéng）中，接觸點在非圓輪廓上的切線方向保持為水平方向，此時接觸點並（bìng）不在對稱中心處，若刀具的切削點與（yǔ）凸輪接觸點重合，此時刀具有恒（héng）定的工作角度。

傳統車削（xuē）加工一般（bān）要求刀心通過工件（jiàn）回轉中心以獲得理想的（de）工作角度，而（ér）在非圓車削中，為了實現切削過程中（zhōng）刀具（jù）恒定（dìng）的工作（zuò）角度，則要求刀（dāo）具（jù）“偏心”，這也是非圓車削中刀具恒定（dìng）工作角度實現的關鍵。

筆者利用的是一台配備有SIMENS840D係（xì）統的具有CⅪ億四（sì）軸聯動的車床，從原理上（shàng）能夠（gòu）滿足上述非圓車削的要求。然而要實現車削加工，還需要數控程序的（de）支持。

2、編程方法

常規的車削僅需要對xz軸進行編程，即對回轉體母線輪廓進行編程，主運（yùn）動為主軸回轉。而非（fēi）圓車（chē）削是對單（dān）個截麵進（jìn）行編程，即CXY軸編（biān）程，主運（yùn）動為C軸進給，車削完一個截（jié）麵C軸進給360。，編程方式（shì）類似於加工中心。

目前的數控插補以直線和圓弧（hú）插補（bǔ）為主，本文也僅討論由直（zhí）線和圓弧組成的非圓截麵的車削編程。事實上，任意曲線都能以（yǐ）給定的誤（wù）差用圓弧曲線和直線進行擬合，因此采用本文的加工方式，理論上（shàng）能夠實現任意非圓輪廓的車削【3】。

本節（jiē）首先討（tǎo）論單段直線和圓（yuán）弧輪廓的編程方（fāng）法，然後再討論各段在相切和相交（jiāo）時兩種情（qíng）況的編程。本節示意圖的視圖均為操作者朝（cháo）向主軸方向，主軸（zhóu）順時針旋轉為正。

2．1單（dān）段輪廓的編程方法

2．1．1同心圓弧的車削

圓弧圓（yuán）心位於工件回轉中心，此情況即為常規的車削，此時刀具定位到象限點，保持（chí）靜（jìng）止，C軸（zhóu）進給，其運動示意如圖3(a)所示，編程格式（shì）為（wéi）：

其中X值為圓（yuán）弧半徑值，Ic為圓弧（hú）的角度增量。

2．1．2直（zhí）線的車削

由於直線的（de）法（fǎ）向矢量為恒定的，因此在直線段的車削時，刀具僅產生Y軸（zhóu）位移對工件進行（háng）拉削，此時c軸靜止，其運動示意如圖3(b)所示，編程格式為：

圖3非圓（yuán）車削運動（dòng）示意圖

2．1．3偏心圓弧的車削

前（qián）麵兩種情況（kuàng），或者刀具靜止或者C軸（zhóu）靜止，運動關係比較清楚，當圓心不在回轉中心時，實際運動（dòng）軌跡（jì）為C軸進給與刀具進（jìn）給的合成（chéng）運動（dòng）。

更進一步，在O X軸插入點O’，使（shǐ）得00’=AC=A’B’，由於線段Ac和A’B’均（jun1）平行於0X軸，則四邊形OACO。和OA’B’O’都構成了平行四邊形，使得0．C=OA=OA’=O’B’，則點C、B’落在圓心為O’的圓弧上，其（qí）半徑值為回轉中心距BC圓弧中心點A的距離（lí）。由於B點的任意性，因此在刀具切削圓弧BC上任意一點時，其實（shí）際切削點都（dōu）落在圓弧CB”上，則切削點(刀具)的實際運（yùn）動軌跡為圓弧cB’。

圖4偏（piān）心圓弧車削不意

在明確了工件及刀具的運動軌跡後，可以得到該類圓弧（hú）加工的編程格（gé）式為：

其中XY為終點（diǎn）B’的（de）坐標值，IC為偏（piān）心圓弧對應圓心角。

當切削圓（yuán）弧為順時針方向時，可（kě）以得到相同的結論。需要說明（míng）的是，如圖4所示（shì），切削的圓弧CB為逆時針方向，而刀具的（de）實際軌跡圓（yuán）弧CB’為順時針方向，因此在（zài）G0幼303的判斷上要與（yǔ）常規相（xiàng）反（fǎn），且CR值為回轉中心到圓弧中心距離，而非圓弧（hú）BC的（de）半徑值。

2．2輪廓間過渡

由於在任意（yì）切削點位置，該點的法向矢量都要滿足與X軸線平行，因此在每段輪廓加工開始前，工件都先進行定位，以滿足矢量（liàng）要求，通常選擇（zé）直線段作為初始（shǐ）加工輪廓。在進行下一段輪（lún）廓加工時，如果輪（lún）廓之間保持相切，切點處法向矢量保持不變，則工件不需要（yào）重新定位，加（jiā）工程序隻需把各單段輪廓連接起來即可。

圖5相交輪廓處過渡（dù）示意

若相鄰輪廓不相切，則需要（yào）在兩段輪廓之間增加一行過渡程序段（duàn），對（duì）工件進行定位，以滿足切削起始點的法向要求。如圖5所示，在相交點B處，刀具與切削點B相對位置保持固定，C軸（zhóu）進給，因此刀具做圓（yuán）弧插補（bǔ），圓心為回（huí）轉中心，重新定位後，工件（jiàn）與刀具從位置ABC變換成位置～BIC’，該程序段（duàn）刀具實際不發（fā）生切削。過渡段編程格式如下（xià）：

其中xY為定位完成後終點B’坐標值，CR為回轉中心到（dào）切削點距離，IC為上一段輪廓結束到（dào）下一段輪廓開始C軸需要定向的角度增量（liàng），若該角度值為正值（zhí），則圓弧應為順（shùn）時針，若角（jiǎo）度值（zhí）為（wéi）負值，則圓弧應為逆時針。

3、試（shì）驗結果

圖6為一非圓輪（lún）廓，輪廓關於X軸對稱，由l段直線和3段偏心圓弧組成，在點A、D處輪廓相（xiàng）交，其餘輪廓相（xiàng）切（qiē）。試驗件采用2A12硬（yìng）鋁進行車削，機床為DMG公司生（shēng）產的四軸車床，數控係統為（wéi）S玎怔（zhēng）NS840D。

圖6非圓試驗件尺寸圖示及加工程序

常規多軸車床中C軸的使（shǐ）用一般用於對工件進行定位和分度，即使（shǐ）在程序段中進行多軸的編程，C軸（zhóu）與各軸也是分步進給的，但本文提（tí）出的非圓（yuán）車削方法中，C軸與XYZ進給軸必須進行聯動才能實現準確的切削路徑，因此需要在程序中加入FGROuP(x，Y，z，C)程序段，此命（mìng）令（lìng）用於協同各軸進給速度，此後程序段中F值單（dān）位為度（dù）／每分鍾（zhōng），程（chéng）序尾調（diào）用F(iRouP()取消（xiāo）。

圖7非圓車削加工試驗件

試驗件（jiàn）中非圓車削等效每轉進給為0．2，車削表麵粗糙度小於Ra3．2，通過引入宏變量，還可以實現變截麵的車削，相（xiàng）比（bǐ）於銑削方式，加（jiā）工（gōng）更靈活。

4、結論

本文創新的（de）提出了一種非（fēi）圓車削加工方（fāng）法，該方法解（jiě）決了傳統非圓車削中刀具工作角度不恒定的問題，同時討論規則非圓截麵車削（xuē）的編程方法，利用手工即（jí）可實現非圓車（chē）削的編程，避免了常規非圓車削需借助CAM軟件采集離散點的繁瑣。通過加工驗（yàn）證，該方法是可行的。

該方法可應用於一般非圓輪廓截麵的車削，如凸輪軸、橢圓（yuán）軸的加工，可先利用（yòng）相切（qiē）圓弧逼近非圓曲線，再根據本文提到編程方法進行加工。也可應用於一般異形結構零件，根據零件的結（jié）構（gòu）構造規（guī）則非圓截麵曲線，通過非圓車（chē）削去除大部分加工餘量，圓（yuán）角部分用銑床進行清根（gēn），相比傳統的工藝方法，能極大提（tí）高加（jiā）工效率。

參考文獻：

【l】王少雷，梁建明，王占（zhàn）英，等．非回轉工件（jiàn）基（jī）於三（sān）軸數控車床的加工方法【J】．煤礦（kuàng）機械，2014，9(35)：146．147．

【2】吳丹。王先逵，趙彤，等（děng）．非圓車削中刀具運動實現（xiàn）方法【J】．清華大學（xué）學報（bào），2003，43(11)：1472．1475．

【3】黃（huáng）標，李紅．用彼此相切圓弧等誤（wù）差（chà）逼近（jìn）非圓曲線fJ】．現代製造工程。2003，8：19—20．

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