基於（yú）普通（tōng）數控車床的（de）等（děng）距型麵加工研究
2021-5-6 來源：沈陽理工大（dà）學機械 內蒙古北方重工業 作（zuò）者：薑增輝 薑智勇 張宇庭 仉智寶 馬立久
摘（zhāi） 要: 等距型麵（miàn）連接在重載機械的大扭矩傳遞中已呈現取代傳（chuán）統鍵連接的趨勢（shì）。目前（qián）常（cháng）采用加工中心來完成等距型麵的切削加（jiā）工。提出了一種應用普通兩軸數控車床加工等距（jù）型麵的方法，利用（yòng） G32 指令車削端麵（miàn）螺紋的功能代替加工中（zhōng）心（xīn）的 C 軸（zhóu）功能，實現切削（xuē）中圓周（zhōu）角度的精確定位與跟蹤。建立了利用 G32 指令（lìng）擬合加工等距型麵的模型，並設計了相應宏（hóng）程序。建立了基於（yú） VERICUT 的仿真切削環境（jìng），並進行了車削仿真（zhēn）加工。結果表明，應用普通兩軸數控車床可以實現等距型麵的切削加工，且選（xuǎn）取適（shì）合的分割（gē）增（zēng）量角對保證加工精度非常重要。
關鍵詞: 等距型（xíng）麵; 數控車（chē）床; 車削; 宏程序（xù）; 仿真加工
型麵連接相比鍵連接具有更好的對中性，更小的應力集中和更大的連接剛度，其在大扭矩傳遞中逐漸得到了廣泛應用。在型麵連接（jiē）中，其廓形曲線以等（děng）距（jù）廓形曲線應用（yòng）最為廣泛。等距型麵連接加工可以（yǐ）采用靠模仿型（xíng）法和機械（xiè）式運動合成法實現，但這（zhè）些方法製造（zào）柔（róu）性差，生產效率低。目前，通常（cháng）在三軸以上加（jiā）工中心（xīn）上采用車削或銑削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（zào）成本中的占（zhàn）比，也使得一些加工中心較少的小微加工企業不得不放棄這類產品的生產訂單。
為解決（jué）這（zhè）一問題，提出（chū）了一（yī）種在普通兩軸數控車床上，利用 G32 指令加工等（děng）距型麵的方法。
1 、基（jī）於 G32 的等距型麵車（chē）削原理
等距型麵是一種（zhǒng）非（fēi）回（huí）轉體型麵，普通兩軸數控車床在利（lì）用直線插（chā）補指令 G01 車削加工中不能實現車刀在工件圓周方向的定位（wèi）和跟蹤，因此無法通過 G01利用 X、Z 軸聯動完成等距型麵加工。螺紋車削指令 G32 可以通過調用主軸編碼器實現主軸轉速和車刀進給之間的精確（què）配（pèi）合，由此可以利用 G32 以阿基米德螺旋線擬合等距型麵曲（qǔ）線，在普通兩軸數控車床上實現等距型麵的（de）加工。
1．1 G32 車削等距型麵原理
G32 為單行程車削螺紋指令，加工端麵螺（luó）紋時（shí），X軸進給和主軸轉動進行閉環聯動，由此可以將（jiāng）等距（jù）型麵廓形曲線拆（chāi）分成（chéng）小段曲線，用 G32 逐段擬（nǐ）合。為進行擬合加工對等距廓形曲線進行等弧長分割，可得到分割點 P1、P2，…，Pi，…，Pn。用 G32 指令以上述分割點依次為（wéi）起、終點逐段擬合等距廓形曲線（xiàn），可實現等距型麵的加工。G32 指令的代碼一般結構為:G32 X( U) Z( W) F( I) Q其（qí）中: X 為終止點的極徑（jìng）; Z 為終止點 Z 軸坐標; F 為螺紋螺距，即主軸旋轉一圈（quān） X 方向的增量; Q 為起始點角（jiǎo）度。
若應用 G32 代碼擬合加工等距型麵，需確定加工每一段（duàn）被分割的等（děng） 弧長 曲 線 時（shí） 參 量 X、Z、F、Q 的賦值。以（yǐ）如圖 1 所示（shì）等距三邊型麵（miàn）為例（lì），其等距（jù）廓形曲線由小圓弧 AB 和大圓弧 BC 構成的廓形曲線段 AC 以（yǐ）120°中（zhōng）心對稱（chēng）所得，因此實現 AC 段曲線的擬合加工，即（jí）可實（shí）現完整（zhěng）等距三邊廓形的（de）加工。選小弧中點 P0( 即 D 點（diǎn）) 為起刀點，此處進、退刀不易劃傷已加工表麵。由於圓弧 AD 與 CE 以 O 點呈 120°的（de）中心對稱，則前述對 AC 段曲線（xiàn）的加工轉化為了（le）對 DE 段曲線的加工。下麵就如何求得擬合加工曲線段 DE 時 G32 代碼的各參量賦值進行（háng）分析（xī）。
1．2 X 的賦值分析
由於小圓弧 AD 與 CE 以 O 點呈（chéng） 120°的中心對稱（chēng），式( 1) 對於小圓弧 CE 在（zài）以其自身圓心為原點建立的（de）小（xiǎo）圓弧相對坐標係內同（tóng）樣成（chéng）立。大圓弧 BC 在（zài）絕對坐標（biāo）係 XOY 內的方程為：
1．3 Z、F 的賦值分析
與 X 的（de）的賦值類似，在對每一段被分割曲線弧的擬合加工時參量 Z 也需重新（xīn）賦值。
1．4 廓（kuò）形曲線的分割（gē）及 Q 的賦值分析
如（rú）圖 1 所示，擬（nǐ）合加工曲線（xiàn） DE 的起刀點 P0( D)在小圓弧 AB 上，由此先對小圓弧 AB 進行分割，且其中對小圓弧 AD 部（bù）分的分割，其方法對小圓弧 CE 同樣成立。
2 、宏程序設計
在擬合車削等距（jù）三邊型麵的數控程序中，指（zhǐ）令G32 中 4 個參量（liàng）的賦值計算是核心內容。為（wéi）此，設計（jì）參量賦值宏程序如圖 3 所示。
通（tōng）過宏程序實現等弧長分割，完成分割點坐標、極徑和極角的計算，並對 G32 代碼中的參量進行賦值（zhí）。
3 、等距三邊型麵的虛擬（nǐ）加（jiā）工
通過虛擬加工等（děng）距三邊型麵驗證以 G32 擬合（hé）車削等距型麵的可行性（xìng）。毛坯（pī）選擇直徑 101 mm 長 400mm 的中碳鋼棒料，擬加工得到大徑 50 mm 小徑 41．38mm 的等（děng）距三邊型麵。
3．1 加工參數
為提高切削效率，保證加工質量，采用切削深度、軸向進（jìn）給量逐漸遞減，低速粗車、高速精車（chē）的切削參數選（xuǎn）擇方案。擬進行四刀粗（cū）車、一刀精車（chē），其加工（gōng）刀路如圖 4 所示，切削參數（shù）如表 1 所示。車削參數（shù）粗車最後一刀留有偏（piān）置餘量 0．31 mm，這樣精車背吃（chī）刀量恒定，提高加工精度。
表 1 車削加工切削參數
3．2 構建虛擬機床
根據（jù）被（bèi）加工件（jiàn）尺寸選用 MJ－460 數（shù）控車床為原型（xíng）建立虛擬機（jī）床。該機床隻（zhī）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（jī）床部件的 STL 模型文（wén）件，並導（dǎo）入VERICUT 中構建虛擬車床 ( 如圖 5a) ，並由（yóu）表 1 切削（xuē）參數仿真加工得到等距三邊型麵( 如圖 5b) 。
4 、仿真結果與分析
如前所（suǒ）述可知，等距曲線的分割增量角，即小圓弧圓心角增量!θ1，對加工精度有很大（dà）影響。為研究!θ1對（duì）加工精度的影響規律，分別取!θ1為 1°、2°、3°和 4°進行了仿真（zhēn）切削，並采用 VERICUT 距離測量工（gōng）具對加工誤差進行了測量。測量位置如圖 6 所示（shì）位置，包括等距（jù）廓形曲線在小弧頂點、大弧頂點及大弧與小弧相切點共 12 個特征點。結果如圖 7 所（suǒ）示。
由（yóu）圖 7 可知，所測點位加工誤差均為殘留，無過切發生。測量點位中小弧頂點殘留值最大，大弧頂點殘留值最小，這（zhè）是由於擬合加（jiā）工等距廓形時，采用了等弧長方法對廓形曲線進行分割（gē），而小弧段分（fèn）割曲線段曲率相（xiàng）對較大，導致擬合（hé）間隙也較大，因此加工殘留相應（yīng）較大（dà）。
另外，加工誤差與分割增量角並非線性增加關係，增量角增大可導致最大誤差的增幅迅速變大，且（qiě）加工誤差在等距廓形上的波動幅度也迅（xùn）速變大。因此，選取較（jiào）小的分割（gē）增量角有利於提高廓（kuò）形的（de）加（jiā）工精度。但應注意，實際加工中（zhōng）受機床進給精度和數控係統預讀速度的影響，分割增量角（jiǎo）不宜選取過（guò）小。
過小的增量（liàng）角可使擬合加工（gōng）中單步徑向進給量小於機床徑向進給精度，徑向進給運動失真。另外，增量角越小，程序段越多，將導致數控係統的響應無法跟上加工（gōng）路（lù）徑（jìng）執行（háng）速度，機床進給運動會減（jiǎn）速、爬行，加工表麵會因（yīn）為程序的停頓而（ér）產生明顯的刀痕（hén）。
5 、結語
建立了（le）基於普（pǔ）通兩軸數控車（chē）床 G32 指令的等（děng）距型麵（miàn）加工方法，設計了參量賦值宏程序，並通過構建虛擬機床進行了加工仿（fǎng）真，得到如下結果:
( 1) 通過 G32 指令（lìng）可在普通兩軸數控車（chē）床上實現等距（jù）型麵的加工。
( 2) 選取合適的分割增量（liàng）角對保證等距型麵的表麵加（jiā）工精度十分重要。
減小分割增量角可降低（dī）已加工表麵殘留誤差，並收窄誤差波（bō）動幅度，但過小的分割增量角可能（néng）導致車削進給運動的減速（sù）和失真，反而降低已加工表麵質量和精度。
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