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數控車床上（shàng）的多邊形車削

2022-6-20 來源：濟南工程職業技術學院作者：李尚（shàng）波（bō）

摘要：銑削並非（fēi）加工多邊形（xíng）零（líng）件的唯一方（fāng）法。多邊形零件也可以在數控車床上車削出來，而且效（xiào）率能夠比銑（xǐ）削加工（gōng）高數倍甚（shèn）至數十倍。但以這種方式加工多邊形零件時，數控車床必（bì）須配置 2 把（或（huò）多（duō）把）旋轉車刀，數控係統也要具（jù）備相應的特殊功能。基於此（cǐ），介紹多邊形車削的原理及其在（zài）

FANUC 0I 數控車床（Computer Numerical Control，CNC）和 SINUMERIK CNC 係統中（zhōng）的實現（xiàn）方（fāng）法。

關鍵詞：多邊形；車床；數控；旋轉（zhuǎn）車刀（dāo）；刀盤軸；主軸（zhóu）

多邊（biān）形零件隨處可見（jiàn），諸如連接操作手柄的方杆、六（liù）邊形螺母、六角頭螺（luó）釘及螺栓等。因為（wéi）多邊形（xíng）銑削是銑床的典型功能，所以銑削（xuē）是人們加工多邊形零件的常用加工方法。除銑削外，多邊形零件也可以在數控車床上車削出來，而且效率能夠比銑削加工高數倍甚至數十倍。

1、多邊形車削的（de）原理

眾所周知，一般車削時工件高速回轉、車刀沿軸向進給切削會使（shǐ）工件形成圓柱表麵。但是，若在車削時車刀也按（àn）要求（qiú）和工件同時旋轉，則可形（xíng）成刀尖相對於工件的多（duō）邊形運動軌跡。這種方式與銑削時刀具在工件表麵上旋轉，由進給運動產生平麵（miàn）或其他輪廓麵有著本質的區別，因此仍屬於車削（xuē）的範疇，即多（duō）邊形車削。

如圖 1 所示，A 為工件旋（xuán）轉中（zhōng）心（主軸中心（xīn））和刀具（車刀）旋轉中心（回轉刀盤中心）之間的（de）距離（lí），B 為刀具回轉半徑；設定工件和刀具的回轉角速度分別為（wéi） α 和 β；以工件中心為 X-Y 笛卡爾坐標係的坐標原點，則（zé）刀盤中心（xīn）和刀尖的初始位置分別是 P0（A，0）和 Pt0（A-B，0）。為方便計算，把（bǎ）主運動（即（jí）工件的旋轉運動）等效為刀架在相反方向繞工（gōng）件中心的（de）回轉，則車刀（dāo）的運（yùn）動即為其本身繞刀盤中心的回轉和刀盤繞（rào）工件中心回轉的（de）複合運動。經過任意時刻 t後的刀尖位置

Pt 為（Xt，Yt），如圖 2 所示，可以（yǐ）用式（1）和（2）來表示：

圖（tú）1 工（gōng）件和（hé）刀具的回轉路徑示意圖

圖 2 任意時刻後的刀尖位置

由式（1）～（4）可知，刀具的刀尖相對於工件運動的軌跡（jì）是長徑為 A+B，短（duǎn）徑為 A-B 的橢圓。因此，若在 180°的對稱位置（zhì）各（gè）放 1 把刀具，就可以加工出如圖 3（a）所示的四邊形。同理，若每隔 120°放（fàng）置1 把刀具，且旋（xuán）轉比為 1:3 時，則會形成如圖 3（b）所示的六邊形。

圖（tú）3 刀具加工軌跡

當然，這些（xiē）多邊形的邊並非嚴格意義上的直線，但（dàn）若 A 與 B 足夠接近，即 A+B 與 A-B 之間的差值足夠大（dà），則由此產生的形狀誤差便（biàn）可忽略（luè）不計，一（yī）般取（qǔ）A ≤ 1.5B。

2、多（duō）邊形車床的結構

根（gēn）據上（shàng）述（shù）多邊形（xíng）車削的原理，在普通車（chē）床的小托板上，除通常使用的四方刀架外，再在主軸軸線的另一側安裝（即後置安裝）一個軸線與主軸平行的回（huí）轉軸箱，其箱外靠近主（zhǔ）軸一側的軸端安裝（zhuāng）車刀（dāo）刀盤，即為刀（dāo）盤軸和刀（dāo）盤軸箱。刀盤軸（zhóu）由（yóu）主軸箱及刀盤軸箱中的齒輪傳動，更換掛輪（lún）可實（shí）現主軸與刀盤軸之（zhī）間 1:2或 1:3 等不同的傳動比的傳動，配（pèi）合使（shǐ）用對稱安裝不同數量（如 2 把、3 把）車刀的刀盤，即可車削出 4邊、6 邊等不同邊數的多邊形。因此，多邊形車床的結構即在普通車床（chuáng）的基（jī）礎上加裝刀盤（pán）軸箱及其傳動係統（tǒng）。顯而易見，這種傳動結構非常複雜，設（shè）計製造多邊形（xíng）車床並非（fēi）易事。

因為數（shù）控多邊形車床無需主軸與刀盤軸之間的機械傳動鏈，所以數控車床卻能很好地解決這種問（wèn）題。因此，數控技術的應用，基（jī）本（běn）解決了數控（kòng）多邊（biān）形車床在（zài）機械傳（chuán）動方麵的難度，但實際加工時數控係統要（yào）具備相應的功能，同時（shí）還要把刀（dāo）盤（pán）軸配置為一個（gè）回轉伺服軸（FANUC 0I CNC 係統）或第二（èr）主（zhǔ）軸（SINUMERIK CNC 係統）。為同步（bù）刀盤軸與主（zhǔ）軸之的轉速比（bǐ）率，在主軸上需要安裝位置編碼器以向刀盤軸提供即時動態同步信號。除此之外，還須正確設定相應（yīng）參數，使用（yòng）時還要正確編（biān）程。典型數控多邊形車床主軸、刀（dāo）盤軸（zhóu）、回轉（zhuǎn）刀架之間的結構布局如圖 4 所示（shì）。

圖4 典型數（shù）控多邊形車床的結構布局

3 、多邊形車削的設定和編程

FANUC 0I 係列 CNC 係統中在刀盤軸配置為（wéi）伺服軸的情況下（xià），要先將其設定為回轉軸，其主要參數如表 1 所示。

表 1 FANUC 0I 係列 CNC 設定回轉軸的主要參數

另外，必須設定參數 7610 為該回轉軸的（de）控製軸號，由此來（lái）確（què）定該軸為多邊形車削中的刀盤軸。正確設置參數後，按照如下編程即可車削出所需（xū）的多（duō）邊形（前（qián）提是選項功能有效）：G00 X30.0 Z2.0 S1000 M03;（快進至工步起點同時啟動主軸，工（gōng）件轉速 1 000/r•min-1）G51.2 P1 Q2;（啟動刀盤旋轉（zhuǎn），刀盤轉速 2 000/r•min-1，

此處 2 把車刀）G01 X20.0 F1.0;（X 軸切入：吃刀）Z-30.0;（Z 軸進給：走刀）G00 X30.0;（X 軸退刀（dāo））G50.2;（停止刀盤旋轉）M05（停止主（zhǔ）軸）此程序能（néng）夠車削出長 30 mm、截麵邊長為 20 mm的正方形棱柱（zhù）。其中 G51.2 P1 Qn（例中（zhōng） n=2）為多邊形車削功（gōng）能啟動指令，它能夠使工件（jiàn）（主軸）和車刀（刀盤（pán）軸）的旋轉（zhuǎn）在任（rèn）一時刻都嚴格保持 1:n 的（de）速比，G50.2 為功能結束指（zhǐ）令。

在 SINUMERIK 係列係統中（zhōng），多邊形車削是利用主軸同步功能（néng）實現的，因此須（xū）將刀盤軸設定為第二主軸，即其軸參數 MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX 須設定為 2。編程時使用指令 COUPDEF（S2，S1，n.0，1.0），其中（n=2，3，…，n），定義 S1（主軸）和 S2（刀盤軸）之間的速比為1:n 的同步關係，COUPDEL（S2，S1）為取消定義；同步啟（qǐ）動（dòng）指令為（wéi） COUPON（S2，S1），結束指令為（wéi）COUPO（S2，S1）。其他起始、切入、走刀、退刀（dāo）等程序（xù）段與上述 FANUC 程序相同。

4、結語（yǔ）

多邊形加工（gōng）零件的質量取決於係統的品質及刀盤（pán）軸的（de）伺服響應特性（xìng）、反（fǎn）饋原件（主軸（zhóu）位置編碼器（qì））的性（xìng）能以及伺服電機與刀（dāo）盤（pán）軸之間傳動器件（聯軸器）的（de）品質等。現如今，多邊形車床的設計製造已經非常簡化，且多邊形車削的邊數、大小都能夠以編程實現，使得多邊形（xíng）車削更加方便、靈活（huó）。除 FANUC 和SINUMERIK 係（xì）統外，西班牙的 FAGOR、台灣省的SYNTEC 以及部分國產數控係（xì）統等（děng）均可實現多邊形車削。但是無論哪種係統，都需正確（què）設定和編程。因此，相關人員應重點關（guān）注數控係統的編程工作，以確（què）保（bǎo）加工零（líng）件（jiàn）符合（hé）要求（qiú）。

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