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基於普通（tōng）數控車床的等距型麵加工研究

2021-5-6 來源：沈陽理工大學機械內蒙古北方重工業（yè）作者：薑增輝薑智勇張宇庭仉智寶馬立久

摘要: 等距型麵連接（jiē）在重載機械的大扭矩傳（chuán）遞中已呈現取代傳統鍵連接的趨勢。目前常采用加工中心來完成等距型麵的切削加（jiā）工。提出了一種應用普（pǔ）通兩軸數控車床加工等距型麵的方法，利用 G32 指令車削端麵螺紋的功（gōng）能代（dài）替加工中心（xīn）的 C 軸（zhóu）功能，實現切削中圓周（zhōu）角度的精確定位與跟蹤。建立了利用 G32 指令擬合加（jiā）工等距型（xíng）麵的模型，並設計了相（xiàng）應宏程（chéng）序。建立了基於 VERICUT 的（de）仿（fǎng）真切削環境（jìng），並進行了車削仿真加工。結果表明，應用普通兩軸數控車床可以實現等距型（xíng）麵的切削加工，且選取適合的分割增量角對保證加工（gōng）精度非常重要。

關鍵詞: 等距型麵; 數控（kòng）車床; 車削; 宏程序; 仿真加工

型麵連接相比鍵連（lián）接具有更好的對中性，更小的應力集中和更大的連接剛度，其在大扭矩（jǔ）傳遞中逐漸得到了廣泛應用。在型麵連接中，其廓形曲（qǔ）線以等距廓形曲線應用最為廣泛。等距型麵連接加工可以采用（yòng）靠模仿型法和機械式運動合成法實現，但這些方法製造柔性差，生產效率低。目前，通常在三軸以上加（jiā）工中心上采用車削或銑（xǐ）削（xuē）方式完成等距型麵的加工，這大大提高了加工設備成本在零件製造成本中的占比，也使得一些加工中心較少的小微加工企業不（bú）得不放棄（qì）這（zhè）類產品（pǐn）的生產訂單。

為解決這一問題，提出了一（yī）種在普通兩軸數控車床上，利用 G32 指令加工等距型麵的方法。

1 、基於 G32 的等距型麵車削原理

等距型麵是一種非回轉（zhuǎn）體型麵，普通（tōng）兩（liǎng）軸數控車（chē）床在利用（yòng）直線插補指令 G01 車（chē）削（xuē）加工中不能實現（xiàn）車刀在工（gōng）件圓周方向的定位和跟蹤，因此無法通過 G01利用 X、Z 軸聯動完成（chéng）等距型麵加工。螺紋車削指令 G32 可以通（tōng）過調用主軸編碼器實現主軸轉速和車刀進給之間（jiān）的精確配（pèi）合，由此（cǐ）可（kě）以利用（yòng） G32 以阿基米德（dé）螺旋（xuán）線擬合等距型麵曲（qǔ）線，在普通兩軸數（shù）控車（chē）床（chuáng）上實現等距型麵（miàn）的加工。

1．1 G32 車削等距型麵原理

G32 為單（dān）行程車削螺（luó）紋指令，加工端（duān）麵螺紋時，X軸（zhóu）進給和主軸轉動進行閉環聯動，由（yóu）此可（kě）以將等（děng）距型麵廓形曲線拆分成小段曲線，用 G32 逐段擬（nǐ）合。為（wéi）進行擬合加工對（duì）等距廓形曲線（xiàn）進（jìn）行等弧長分割，可得到分割點 P1、P2，…，Pi，…，Pn。用 G32 指令以上（shàng）述分割點依次為起、終點逐段擬合等距廓（kuò）形曲線，可實現（xiàn）等距型麵的（de）加工。G32 指令（lìng）的代碼一（yī）般結構為:G32 X( U) Z( W) F( I) Q其中: X 為（wéi）終止點的（de）極（jí）徑; Z 為終止點 Z 軸坐標; F 為螺紋螺距，即主軸（zhóu）旋轉一（yī）圈 X 方向的增量; Q 為起始點角度。

若應用（yòng） G32 代（dài）碼擬合加工等距型麵，需確（què）定加工每一段（duàn）被分割的（de）等弧（hú）長曲（qǔ）線（xiàn）時參量 X、Z、F、Q 的（de）賦值。以如圖 1 所示等距三邊型麵為例，其等距廓（kuò）形曲（qǔ）線由小圓弧 AB 和大圓弧 BC 構成的廓形曲線段 AC 以120°中心對稱所得，因此實現 AC 段曲線的擬合加工，即可實現完整等距三邊廓形的加（jiā）工（gōng）。選小弧中點 P0( 即 D 點) 為起刀點，此處進、退刀不易劃傷已加工表麵。由於圓（yuán）弧 AD 與 CE 以 O 點呈 120°的中（zhōng）心對稱，則前述對 AC 段（duàn）曲線的加工轉化為了對 DE 段曲線的加工。下麵就如何求得（dé）擬合加（jiā）工曲線段（duàn） DE 時 G32 代（dài）碼（mǎ）的各參量賦值進行分析。

1．2 X 的賦值分析

由於小圓弧 AD 與 CE 以 O 點呈 120°的中心對稱，式（shì）( 1) 對於小圓弧 CE 在以其自身（shēn）圓心（xīn）為原點建立的小圓（yuán）弧相對坐（zuò）標係內同樣成立。大圓弧 BC 在（zài）絕（jué）對坐（zuò）標係 XOY 內的方程為：

1．3 Z、F 的賦值（zhí）分析

與（yǔ） X 的的賦值（zhí）類似，在對每一段被分割曲（qǔ）線（xiàn）弧的擬合加工時（shí）參（cān）量 Z 也需重新（xīn）賦（fù）值。

1．4 廓形曲線的（de）分割及 Q 的賦值分析

如圖 1 所示（shì），擬（nǐ）合加工曲線 DE 的起刀點 P0( D)在小圓弧 AB 上，由此先對小圓（yuán）弧 AB 進行分割，且其中（zhōng）對小圓弧 AD 部分的分割，其方法對小圓弧 CE 同樣成立（lì）。

2 、宏程序（xù）設計

在擬合車削等距三邊型麵的數控程序中，指令G32 中 4 個參量的賦值計算是核心內容。為此，設計參量賦值宏程序如圖（tú） 3 所（suǒ）示（shì）。

通過宏程序實現等弧長分割，完成分割（gē）點坐標、極徑和極角的計算（suàn），並對 G32 代碼中的參量進行賦值。

3 、等距三邊型麵的虛擬加工

通過虛擬加工等距三邊型（xíng）麵驗證以 G32 擬（nǐ）合車削等距型麵的可行性。毛坯（pī）選擇直徑 101 mm 長 400mm 的中碳鋼（gāng）棒料，擬加工得（dé）到大徑（jìng） 50 mm 小徑 41．38mm 的等距三邊（biān）型麵。

3．1 加工參數

為提高切削（xuē）效（xiào）率，保證加工質量，采用切削深度、軸向進給量逐漸遞減，低速粗車、高（gāo）速精車的切（qiē）削參（cān）數選擇方案。擬進行四刀粗車、一刀精車，其加工刀路如圖 4 所示，切削參數如（rú）表 1 所示。車削（xuē）參數粗車最後一刀留有偏置餘量 0．31 mm，這樣精車背吃刀（dāo）量（liàng）恒定，提高加工精度。

表 1 車削加工切削參數

3．2 構建虛擬（nǐ）機（jī）床（chuáng）

根據被加工件尺寸選用 MJ－460 數（shù）控車床為原型（xíng）建立虛擬機床。該機床隻具備 X、Z 軸，沒有 C 軸功能，其斜床身利於排屑，有更好的穩定性。

通過 UG 建立（lì）機床部件（jiàn）的 STL 模（mó）型文件，並導入VERICUT 中構建虛擬車床 ( 如圖 5a) ，並由表 1 切（qiē）削參數（shù）仿真加工（gōng）得到等距三邊型麵( 如圖 5b) 。

4 、仿真結果與分（fèn）析

如前所述可知，等（děng）距曲線的分割增量角，即小圓弧圓心角增量!θ1，對加工精度有很（hěn）大影（yǐng）響。為研究!θ1對加工精度的影響規律，分別取!θ1為 1°、2°、3°和 4°進行了仿真切削，並采用 VERICUT 距（jù）離測量工具對加工誤差進行了測量。測量位置如圖 6 所示位置，包括等距廓形曲（qǔ）線在小弧頂點、大弧頂點及大弧與小弧相切點共（gòng） 12 個特征點。結果如圖 7 所示（shì）。

由圖 7 可知，所測點位加工誤差均為殘留，無（wú）過切發生。測量（liàng）點位中小弧頂點殘留值最大，大弧頂（dǐng）點殘留值最小，這是（shì）由於（yú）擬合加工等距廓形時，采用了等弧長方法（fǎ）對廓形曲線進行分割，而小弧段分割曲線段曲率相對較大，導致擬合間隙也較大，因此加（jiā）工殘留相應較大。

另外，加（jiā）工誤差與分割增量角（jiǎo）並非線性增（zēng）加關（guān）係，增（zēng）量角增大可（kě）導致最大（dà）誤差的（de）增幅迅速變大，且加（jiā）工誤差在等距廓形上（shàng）的波動幅度也迅速變大。因此，選取較小的分割增量角有利於提高廓形（xíng）的加工精度。但應注意，實際（jì）加（jiā）工中受機床進給精（jīng）度和數控係統預讀速度的影響，分（fèn）割增量（liàng）角不宜選取過小。

過小的增量角可使擬合加工中單步徑向進給（gěi）量小於（yú）機床徑向進給精度，徑向進給運動失真。另外，增量角越（yuè）小，程序段越多，將導致數控（kòng）係（xì）統的響應無法（fǎ）跟上加工路徑執行速度，機床進給運動會減速、爬行，加（jiā）工表麵會因為程序的停頓而產生明顯的刀痕。

5 、結語（yǔ）

建立了基於普（pǔ）通兩（liǎng）軸數控車床 G32 指令的等距型麵加工方法（fǎ），設計了參量賦值宏程序，並通過構（gòu）建虛擬機床進行了加工仿真，得到如下結果:

( 1) 通過 G32 指令可在普通（tōng）兩軸數控車床上實現等距型麵的加工。

( 2) 選取合適的分割增量角對保證等距型麵的（de）表麵加工精度十分重要。

減小分割增量角可降低（dī）已加工表麵（miàn）殘留誤差，並收窄誤差波動幅度（dù），但過小的（de）分割（gē）增量角可能導致車削進給運動的減速和失真，反而降低（dī）已（yǐ）加（jiā）工表麵質量和精度。

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