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數控車床加工錐麵的（de）刀具軌（guǐ）跡設計與優化

2020-5-18 來源：茂名職業（yè）技術學院作者（zhě）：肖日增

摘要（yào）：分析常用多重循環指令 G71，G72，G73 和錐麵切削循環（huán）指令 G90，直線插補指令 G01 的適用範圍及優缺點。結合具體錐麵工件，提供了（le）一種加工錐麵刀具軌（guǐ）跡的優化方法，借助（zhù） Auto CAD 繪製刀具軌跡圖，查（chá）找錐麵切削循環指令（lìng） G90 刀具軌跡的快（kuài）速退刀拐點的（de）坐標，縮短走空（kōng）刀的路程；並（bìng）利（lì）用 G90 的模態（tài）特性簡化縮（suō）短程序，編（biān）寫了具體加工（gōng）程序並進行實踐應用。這種優化方法可明顯提高大批（pī）量生（shēng）產效率，具有推廣價值。

關鍵詞：數控車床；加工錐麵；刀具軌跡；優化

0 引言

圓錐（zhuī）麵加工可使用車普通床或（huò）數控（kòng）車床實現。使用普（pǔ）通車床加工（gōng）圓錐麵，要（yào）依靠（kào）旋（xuán）轉小滑板到所需角度進行加工，加工過程要通過多（duō）次試切（qiē）進行調整角度，用萬能角度尺不斷測量工件錐角（jiǎo），直到需（xū）要（yào）角度。

由於在（zài）調（diào）整角度過程中車床角度刻度盤的每（měi）刻度是 1°，所（suǒ）以普通車床存在係統誤差（chà），難以達到設計要求（qiú）和加工要求。

現在加工圓錐（zhuī）配合（hé）麵或精（jīng）度（dù）要求高的圓錐麵都使用數控車床加工。

精度和效率是（shì）數（shù）控車床加工需要考慮的主要問題。以提高（gāo）數控加（jiā）工效率為目標，可以選擇合理的加工工藝參、方法，縮短切削（xuē）時間（jiān），提高加工效率；還（hái）可以通過（guò）產生合理簡潔的刀具（jù）路徑，在保證加工精度要求下最大限度優（yōu）化刀具軌跡，減少加工時間，實（shí）現高效率的（de）加工

。

設計合理高（gāo）效的刀具軌跡是提高加工效率的一個重要（yào）環節。數控車床錐（zhuī）麵加（jiā）工可（kě）應用的（de）加工指令很多，基於（yú）GSK980TD 機床，就有多重循環指令 G71，G72，G73，切削循環指令 G90 及直線插補指令 G01 可供選擇，這些指令（lìng）生成的刀具軌跡各（gè）有優點，可應（yīng）用於不同錐麵加工。

1 、數（shù）控車床加工錐麵的常用刀具軌跡

軸向粗車循環指令 G71 適用於如棒狀非成型（xíng）毛坯的粗車加工（圖 1），徑向粗車循環指令（lìng） G72 適用於（yú）如（rú）盤狀非成型毛坯（pī）的粗車加工（gōng）（圖（tú） 2）。

圖 1 G71 指令循環軌跡

圖 2 G72 指令循（xún）環軌跡

從刀具軌跡（jì）可見，其最大區別在於進刀方向：G71 軸向進刀車削，G72 徑向進刀車削。封閉切削循環指令G73，適用於成型毛坯的粗車加工，刀具軌跡如圖 3 所示。

圖（tú） 3 G73 指令循環軌跡

G71，G72 與 G73 都可以在本指令上預留精加工餘量，由後續精（jīng）加工指令 G70 加工，應用起來也是（shì）這樣。從加工效率角度考慮，G72 更適用於加工錐度大（dà）於 2：1 的圓錐麵，G71 更適合加工錐度小於 2∶1 的圓錐麵。

加工（gōng）錐麵時，G71，G72 會留下（xià）鋸齒狀加工（gōng）餘量，如果背吃（chī）刀量較大，最後一刀仿形（xíng）車削的（de）切削力波動很（hěn）大，會影響刀具壽命和加工質量。徑向進刀或軸向進刀都對錐麵存在較大擠壓（yā）力（lì），使工件（jiàn）形成較大的（de）內應力。

因而對高精錐麵加工，G71，G72 並非最佳選擇。

毛坯的粗車加工，如果（guǒ）用於加工棒料毛（máo）坯（pī），由於偏置刀量的累積，表層加工階段會走很多空刀，嚴重影響（xiǎng）加工效（xiào）率（lǜ）。因（yīn）而對於使用棒料毛坯加工圓錐麵，G73 也不是一個較好選擇。切削循（xún）環指（zhǐ）令 G90 可實現柱麵或錐麵切削循環，從切削（xuē）點開始，進行徑（jìng）向（X 軸）進刀或軸向（Z 軸）進刀，也可以 X、Z 軸（zhóu）同時切削，即可直（zhí）接（jiē）加（jiā）工錐麵，刀具軌跡如圖 4 所示。

圖（tú） 4 G90 指（zhǐ）令軌跡

加工錐麵指（zhǐ）令格式為：G90 X__ Z__ R__ F__；其中 R 為切（qiē）削起點與切削終點 X 軸絕對坐（zuò）標的差值（半徑值），帶方向。應用 G90 錐麵切削循環指令具有減少切削應力的優點，因為直接加工（gōng）錐麵，走刀方向就是錐度方向，比直接軸向或徑向進刀的 G71，G72，G73

，G90 的軸向與徑向的切削分力小很多。

如圖 5 所示，基麵 Pr上切深抗力 Fy、進給抗力 Fx合成基麵上（shàng）的合力 Fxy，基麵上的合（hé）力 Fxy顯然是對工件產生內應力影響最大的。假設切深（shēn）抗力 Fy一樣大，直接（jiē）軸向的進給抗（kàng）力 Fx1與 G90 指令（lìng）的斜向走刀的進給抗力 Fx2相等，由力的四邊形法則可知，合力 Fy2比合力 Fxy1小很多。

圖 5 基麵 Pr 上的切削力

錐（zhuī）麵切削循環指令 G90 的斜向走刀（dāo）時，相當於減小了主偏角，但切深抗力 Fy不增（zēng）反（fǎn）減，這是（shì）因為工作平麵已經改變，進給方向為錐麵方向。假設合力 Fxy2與合力 Fxy1相等，則 Fy會因斜向走刀變得更小，從而減小了工件的變形和振動。

G90 指令是人工分層編寫背吃刀量的，比背吃刀量自動分層的（de）G71，G72 指令更利於靈活規劃粗加工、半精加工及精加（jiā）工。利用 G90 錐麵（miàn）切削循環指令為模態（tài）指（zhǐ）令還可簡化編程，不用（yòng）指定切削起點和退刀點過程，隻須指定切削終（zhōng）點：X 為切削終點 X 軸絕對坐標，Z 為切削終點 Z 軸絕對坐標。

G01 指令雖然也可（kě）通過走（zǒu）斜線插補實現錐麵切削，但要指定快速插（chā）補G00 及直線插（chā）補 G01 的所（suǒ）有起始點，編程過程繁瑣。

2 、數（shù）控車床加工錐麵的刀具軌跡優化

以上各種（zhǒng）刀具軌跡描述了加工過程中刀具相對於工件運動的具體（tǐ）方式、路徑與位置，包括有效的切（qiē）削運（yùn）動軌（guǐ）跡和輔助運動軌跡，切削運動（dòng）軌跡以實線表達，輔（fǔ）助運動軌跡以虛線表達。

輔助運動軌跡主要用於刀具定位、切削軌跡段間轉接等，雖不直接參與工件的成型，但（dàn）卻是加工中不可缺少的過程，一（yī）般都以快速定位指令 G00 實現，路徑長且需要花費一定的加工時間。

圖 6 所示的錐麵工件，是大量生產的壓管機彈簧壓頭的半成品，其錐（zhuī）麵加（jiā）工是加工質量和加工效率（lǜ）的關鍵。

根據前麵（miàn）各種刀具軌跡的分析，決定選用（yòng） G90 指令實現錐麵切削循環（圖 7）。依圖分析可（kě）知，切削進（jìn）給的刀具軌（guǐ）跡有一半是沒實質加工的，浪費了近一半的加工時（shí）間。進行（háng）大批量加工應要求優（yōu）化刀具軌跡，減少（shǎo）空走刀的時間。

圖 6 錐麵零件

圖（tú）7 G90 優化前刀具軌跡 14.5°

優化方法：借助（zhù） Auto CAD 在外（wài）輪廓的基礎上先繪刀具軌跡圖，查找錐麵切削循環指令 G90 刀具軌跡的快速退刀拐點的坐標，縮短走空刀的路程（圖 8）。當 X 值大於材料直徑時，刀具即立即軸向退刀，省去（qù）了近一半的刀具（jù）軌跡行程。

但（dàn）刀具軌跡的各個拐點如果采用 G01 指令編程將會使程序變得很長，此時，可應用G90 指令進行優化，使用 Auto CAD 查詢出切（qiē）削起（qǐ）點與切（qiē）削終點 X 軸絕對坐標的差值（半徑（jìng）值），即可節省每段程序的 X 值的輸入（rù）。

切削終點 Z值設定為刀具剛好離開所加工外錐麵開（kāi）始走空刀時確定的 Z 值。優化（huà）後的刀具（jù）軌跡如圖 9 所示，明顯減少了走空刀的刀具軌跡，加工效率大幅提高。

圖8 優化刀具軌（guǐ）跡（jì）的（de）坐（zuò）標取值

應用 G90 指令進行（háng）圓錐切削優化後的程（chéng）序如（rú）下：

3 、結（jié）論

加工實踐表明，應（yīng）用 G71 刀具軌跡加工一個錐麵用時（shí） 15 min，而應用優化後的 G90 指令（lìng）刀具軌跡加工一（yī）個錐麵是 8 min，效率（lǜ）提高近一倍，證明了這種加工（gōng）優化方法的（de）有效性（xìng）。這種優化方法對於大批量生（shēng）產具有重要意義，有推廣價（jià）值。但（dàn）這隻是對一（yī）個工件的優化法，適合大（dà）批量、高精度的錐麵加工，對小批量而多種錐度不同的（de）工件還可以應（yīng）用宏程序進行優化。

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