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多軸車床非（fēi）圓車削加工的實現

2016-8-12 來源：中國工程（chéng）物理研究（jiū）院機械製造工藝研究所作（zuò）者：李廣正李佳（jiā）偉（wěi）周（zhōu）茂書

摘要：創新性的提出了一種非圓車削加工方（fāng）法。非圓車削相比與銑（xǐ）削加工方式具有刀具適應（yīng）性強的特點，加（jiā）工（gōng）特殊（shū）結構零件時能極大的提高加工效（xiào）率、降（jiàng）低成本。該方法利用多（duō）軸車床現有功能，通過（guò）增加Y軸運動，解決了傳（chuán）統非（fēi）圓車削中不可避（bì）免的刀具工作角度變化的問（wèn）題（tí），同時討論（lùn）了非圓規則（zé）截麵車削的編程方（fāng）法，通過加工驗證該方法（fǎ）是可（kě）行的（de）。

關鍵詞：非圓車削；多軸車床；偏心圓弧；刀具工作角度（dù）

0、引言

車削加工和銑削加工是機械加工中最常用的兩種加工方式，其各自有（yǒu）明確的加工對象、刀具以及編（biān）程方法。傳統的車削方（fāng）法隻能（néng）加工回轉類結構的零件。對於非圓截麵(如凸輪)或（huò）是回轉體上有凸台（tái）等結構的零，件，傳統車床是無法加工的。

圖l典型的非回轉體零件加工

如圖1所（suǒ）示，若采用側刃銑削外型麵（miàn），則要求刀具（jù）具有較長的刃長（zhǎng），而在（zài）對工件內腔進行銑削時，為（wéi）了避免刀具幹涉，常（cháng）采用（yòng）角度頭加球頭銑刀的加工方式，刀具剛度減弱，切削條件（jiàn）惡劣，切（qiē）削表麵質（zhì）量差且切削效率也受到影響。而車削（xuē）過程（chéng）中切（qiē）削路徑（jìng）為連續軌跡，切削質量通常較高，且車刀不受工件曲率半徑約束，對零件適應性較好。因此，對於特殊的非回轉（zhuǎn）體類零（líng）件，以車代銑是工藝優（yōu）化的方向。

從幾何形狀上看（kàn），非圓截麵上（shàng）各（gè）處徑向尺寸隨轉角連續變化，為了實現非圓截麵的車削，最直接的方式就是（shì）在一個車削回轉周期上（shàng）進行快速的X軸徑向插補，文獻中（zhōng）利用UG和MALAB軟件生成可用於車床的數（shù）控代碼n】，但是此（cǐ）時刀具的工作前後（hòu）角隨著轉角不斷變化，尤其是在非圓度（dù）較（jiào）大的地方。這（zhè）種切（qiē）削角度不斷變化會引起切削力波動（dòng），影響加工表麵質量，還可能存在負後角（jiǎo）的地方，發生刀具幹涉。文獻（xiàn）【2】基於傳統兩軸機（jī）床，設計了一種複合機構，控製刀具的位置與姿態，使刀具保（bǎo）持理想的工作角度，但是需要額外的運動機構和控製係統，實現起來較複雜。

為了實現恒定的刀具工作角度，筆者利用機（jī）床已有的功能，在不增加額外（wài）運動機構的情況下（xià），提出了一（yī）種（zhǒng）新的（de）非圓截麵車（chē）削加（jiā）工方案。

1、恒（héng）角度非圓車削實現（xiàn）

凸（tū）輪為典型的非圓零（líng）件（jiàn），如果把凸輪作為驅動件，從動件為假想刀具，接觸點為假想切削點，則研究（jiū）凸輪機（jī）構中接（jiē）觸點的（de）運動軌跡（jì）可以幫助理解刀具在非圓車削時的運動軌跡與姿態。根（gēn）據從動件的幾（jǐ）何形狀，可分為三種情況：1)尖底；2)滾子；3)平底，三（sān）種凸輪機（jī）構及其對應接觸點的法向矢量示（shì）意如圖2所示（shì）。

圖2凸輪機構接觸點法向（xiàng）矢量示意

刀具的工作（zuò）基（jī）麵是（shì）根（gēn）據切削速度矢（shǐ）量建立的，根據文（wén）獻【2】，非圓車削時的合成切削速度方向即為（wéi）非圓輪廓曲線過切削點的瞬時切線方向（xiàng）。在尖底和滾子凸輪（lún）機構中，過接（jiē）觸點的瞬時切線方向都在不斷變（biàn）化，因此為了實現恒定（dìng）刀具工作角度，需要根據（jù）非（fēi）圓輪廓調整刀具的姿（zī）態。而在（zài）平（píng）底凸輪機構（gòu）運動過程中，接觸點在非圓輪廓上的切線方向保持為水平方（fāng）向，此時接觸（chù）點（diǎn）並（bìng）不在對稱（chēng）中心處，若刀（dāo）具的切削點與凸輪接觸點重（chóng）合，此時刀具有恒定的工作角度。

傳統車削加工一般要求（qiú）刀心通過工件回（huí）轉中（zhōng）心以獲得理想的（de）工作角度，而在（zài）非（fēi）圓（yuán）車削中，為了實（shí）現切削過程中刀（dāo）具（jù）恒定的工作角度（dù），則（zé）要求刀具“偏心”，這（zhè）也是非圓（yuán）車削中刀具恒定工作角度實現的關鍵。

筆者利用的是一台配備有SIMENS840D係統（tǒng）的具有CⅪ億四軸聯動的車床，從原理上能夠滿足（zú）上（shàng）述非圓車削的要求。然而要實現車削加（jiā）工，還需要數控程序的支持。

2、編程方法

常規的車削僅（jǐn）需要對xz軸進（jìn）行編程，即對回轉（zhuǎn）體（tǐ）母線輪廓進行編程（chéng），主運動為主軸回轉。而非圓車削（xuē）是對單個截麵進行編（biān）程（chéng），即CXY軸編程，主運動（dòng）為C軸進給，車削完一個截麵C軸進給360。，編程方（fāng）式類似於（yú）加工中心。

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

本節首先討論（lùn）單段直線和（hé）圓弧輪廓的編程方（fāng）法，然後再討論（lùn）各段在相切（qiē）和相（xiàng）交時兩種情況的編程。本（běn）節示意圖（tú）的視圖均為操作（zuò）者朝向主軸方向，主軸順時針（zhēn）旋轉為正。

2．1單段輪廓的編程方法

2．1．1同心圓弧的車削

圓弧圓心位於工件回轉中心，此（cǐ）情況即為常（cháng）規的車削，此時刀（dāo）具定位到象限點，保持靜止，C軸進給，其運動示意如圖3(a)所示，編程格式為：

其中X值為圓弧半徑值，Ic為圓弧的角度增量（liàng）。

2．1．2直線的車削

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

圖3非圓車削（xuē）運動示意圖

2．1．3偏心圓弧的車削

前麵（miàn）兩種情況，或者刀具（jù）靜止或（huò）者C軸靜止，運動關係（xì）比較清楚，當圓心不在回（huí）轉中心（xīn）時，實際運動軌跡為C軸進給與刀具進（jìn）給（gěi）的合（hé）成運動。

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’均平行於0X軸，則（zé）四邊（biān）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（yuán）心為O’的圓弧上，其半徑（jìng）值為回轉中心距（jù）BC圓弧中心點A的距（jù）離。由於B點的任意性，因此在刀具切削圓弧（hú）BC上任意一點時，其實際切削點都落在圓弧CB”上，則切削點(刀具)的實際運動軌跡為（wéi）圓弧cB’。

圖4偏心圓弧車削不（bú）意

在明（míng）確了工（gōng）件及（jí）刀具的運動軌（guǐ）跡後，可以得到該類圓弧加工的編程格式為：

其中XY為終點（diǎn）B’的坐標（biāo）值，IC為偏心圓（yuán）弧對應圓心角。

當切削圓弧為順（shùn）時針方向時，可以得到相同的結論。需要說明的是，如圖4所示，切削的圓弧CB為（wéi）逆時針方向，而刀具的實際軌（guǐ）跡圓弧CB’為順時針方向，因此在G0幼303的判斷上要與常規相反，且CR值為回轉中心到圓弧中心距（jù）離，而非圓弧BC的（de）半徑（jìng）值。

2．2輪廓（kuò）間過渡

由於在任意切削點位置，該點的法向矢量都要滿足與X軸線平行，因此在每（měi）段輪廓加工開（kāi）始（shǐ）前，工（gōng）件（jiàn）都（dōu）先進行定（dìng）位，以滿足矢量要求，通常選擇直線段作為初始加工輪廓。在進行下一段輪廓（kuò）加工時，如果輪廓之（zhī）間保持相切，切點處法向矢量保持不變，則工件不（bú）需要重新定位，加工程序隻需把各單段輪廓連接起來（lái）即可。

圖5相交輪廓處過渡示意

若相鄰輪（lún）廓不相切，則需要在兩段輪廓之間增加一行過渡程序段，對工件進行定位，以滿足切削（xuē）起始點的法向要求（qiú）。如圖5所示，在相交點（diǎn）B處（chù），刀具與切削點B相對位置保持固定（dìng），C軸（zhóu）進給，因此刀具做圓弧插補，圓心為（wéi）回（huí）轉中心（xīn），重新定位（wèi）後，工件與刀具從位置ABC變換成位置～BIC’，該程（chéng）序段刀具實際不發生切削。過渡段編程格式（shì）如下：

其中xY為定位完成後終點B’坐標值，CR為回轉（zhuǎn）中心到切削點距離，IC為上一段輪廓結束到下一段輪廓（kuò）開始C軸需要定向的角度增（zēng）量，若該角度值為正值，則圓弧應為順時針，若角度值為負值，則圓弧應（yīng）為逆時針。

3、試驗（yàn）結（jié）果（guǒ）

圖6為一非圓輪廓（kuò），輪廓關於X軸對稱，由l段直線和3段偏心圓弧（hú）組成，在（zài）點A、D處輪廓相（xiàng）交（jiāo），其餘輪廓相切。試驗件采用（yòng）2A12硬鋁進行（háng）車削，機床為DMG公司生產的四軸車床，數控（kòng）係統為S玎怔NS840D。

圖6非圓試驗件尺寸圖示及加工程序

常規多軸車床（chuáng）中C軸的（de）使用一般用於對工件進行定（dìng）位和分度，即使在程序段中進行多（duō）軸的編程，C軸與各軸（zhóu）也是分步進給的，但本文提出的非圓車削方法中，C軸（zhóu）與（yǔ）XYZ進給軸必須進行聯（lián）動才（cái）能實現準確的切削路徑，因此需要在（zài）程序中加（jiā）入FGROuP(x，Y，z，C)程序段，此命令用於協同（tóng）各軸進給速度（dù），此後程序（xù）段中F值單位為度／每分鍾，程序尾調（diào）用（yòng）F(iRouP()取消。

圖7非（fēi）圓（yuán）車削加工試驗件（jiàn）

試驗件中（zhōng）非圓車（chē）削等效（xiào）每轉進給（gěi）為0．2，車削表麵粗糙度小於Ra3．2，通過引入宏變（biàn）量，還可以實現變（biàn）截麵的車削，相比於銑削方式，加工更靈活。

4、結論

本文創新的提出了一種非圓車削加工方（fāng）法，該（gāi）方法解決了傳（chuán）統非圓車削中（zhōng）刀具工作角度不恒定的問題，同（tóng）時討論（lùn）規（guī）則非圓截麵車削的編程方法，利用手（shǒu）工即可（kě）實現非圓車削的編程，避免了常規非（fēi）圓車削需（xū）借助CAM軟件采（cǎi）集離（lí）散點的繁瑣。通過加工驗證，該方法是可行的。

該方法可應用於一般非圓輪廓截麵的車（chē）削（xuē），如凸輪軸、橢（tuǒ）圓軸的加工，可先利用相切圓弧逼近非圓曲線，再根據本（běn）文提到編程方法進行加工。也可應用於一般異形（xíng）結構零件，根據零件的結構構造規則非圓截麵曲線，通過非（fēi）圓車削去除大部分加工餘量，圓角部分用銑床進行清根，相比傳統的工藝方法，能極（jí）大提高加工（gōng）效率。

參考文獻：

【l】王少雷，梁建明，王占英，等．非回轉工件基於三軸數控車床的加工（gōng）方法（fǎ）【J】．煤礦機（jī）械，2014，9(35)：146．147．

【2】吳（wú）丹。王先逵，趙彤，等．非圓車削中刀具運動（dòng）實現方法【J】．清（qīng）華大學學報，2003，43(11)：1472．1475．

【3】黃標，李紅．用（yòng）彼此（cǐ）相（xiàng）切圓弧等誤差逼近非圓曲線（xiàn）fJ】．現（xiàn）代製造工程。2003，8：19—20．

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