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多軸車床非（fēi）圓車削加工的（de）實現

2016-8-12 來源：中國工程物理研究院機械製造工藝研究所作（zuò）者：李廣正李佳偉周茂書

摘要：創新性（xìng）的（de）提出了一種非圓車削加工方法。非圓車削相比與銑削加（jiā）工方式具有刀具適應性強的特點，加工特殊結構零件時能極大的提高加工效率、降低成本。該方法利用多軸車（chē）床現有功能（néng），通過（guò）增加Y軸運（yùn）動，解決了傳統非圓車削中不可避免（miǎn）的刀具（jù）工作（zuò）角度變化的問題，同時討論了非圓規則截麵車削的編程方法，通過加工驗證該方法是可行的。

關鍵詞：非圓車削；多軸車床；偏（piān）心圓弧；刀具工作（zuò）角度

0、引言

車削加工和銑削加工是機（jī）械加工中最常用的兩種加工方式，其各自有明確的（de）加工對象、刀具以及編程方法。傳統的車削（xuē）方（fāng）法隻能加工回轉類（lèi）結構的零（líng）件。對於非圓截麵(如凸輪)或是回轉體上有凸台等結構的零，件，傳統車床（chuáng）是無法加（jiā）工的。

圖l典型的非回轉體零件加工

如圖1所示，若采用側刃銑削（xuē）外型麵（miàn），則要求刀具具（jù）有較長的刃長，而在對工件內腔進行銑（xǐ）削時（shí），為了避免刀具幹（gàn）涉，常采用角度頭加球頭銑刀（dāo）的加工方（fāng）式，刀具剛度減弱，切削條件惡（è）劣，切削表麵質量差且切削效率（lǜ）也受（shòu）到影響。而車削過程中切削路徑為連續軌（guǐ）跡，切（qiē）削質量通常較高，且車刀不（bú）受工件曲（qǔ）率半徑約束，對零件適應性較好。因此，對於特殊的非回轉體（tǐ）類零件，以（yǐ）車（chē）代銑是工藝優化的方向。

從幾何形狀上看，非圓截麵上各處徑（jìng）向尺寸隨轉角連續（xù）變化，為了實現非圓截麵的車削（xuē），最直接的（de）方（fāng）式就是在一（yī）個車削回轉周期（qī）上進行快速的X軸徑向（xiàng）插補，文獻中利用UG和（hé）MALAB軟件生成可用於車床的數控（kòng）代碼n】，但是此時刀具的工作前後角隨著轉角不斷變化，尤其是在（zài）非圓度較大的地方。這種切削角度不斷變化會引起切削（xuē）力波動，影響加工表麵質量，還可能存在負後（hòu）角的（de）地方，發生刀具幹涉。文（wén）獻（xiàn）【2】基於傳（chuán）統兩軸機床（chuáng），設計了一種複合機構，控製刀具的位置與姿態，使刀具保持理（lǐ）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（jù）工作角度，筆者利用機床已（yǐ）有的功能，在不（bú）增加額外運動機構的情況下，提（tí）出了一種新的非圓截麵車削加工方案。

1、恒角度非圓車削實現

凸輪為典型（xíng）的非圓零件，如果把凸輪作為驅動件，從動（dòng）件為假想刀具，接觸點為假想切削點，則研究凸輪機構中接觸點的運動軌跡可以幫助理解刀具（jù）在非圓車削時的運動（dòng）軌（guǐ）跡（jì）與（yǔ）姿態。根據從動件的幾何形狀，可（kě）分為三種情況：1)尖（jiān）底；2)滾子；3)平底，三種凸輪機構及其（qí）對應接觸點的法向（xiàng）矢量示意如圖2所示。

圖2凸輪機構接觸（chù）點法向矢量示意

刀具（jù）的工作基麵是根據切削速度矢量建立的，根據文獻【2】，非圓車削時的合（hé）成切削速度方（fāng）向即為非（fēi）圓輪廓曲線過切削點的瞬時切線方向。在尖底和滾子凸輪機構（gòu）中，過接觸點的瞬時切線方向都在（zài）不斷變化，因（yīn）此為了實現恒定（dìng）刀具工作角度，需要根據非圓輪廓調整刀具的姿態。而在平底凸輪機構運動（dòng）過程中（zhōng），接觸點在非圓輪廓上（shàng）的切線方向保持為水平方向，此時接（jiē）觸點並不在對稱中心處（chù），若刀具的切削點與凸輪接（jiē）觸點重合，此時刀具有（yǒu）恒定的工作（zuò）角度。

傳統（tǒng）車削加工一般要求（qiú）刀心通過工件回（huí）轉（zhuǎn）中心以獲得理想的工作角度，而在非圓車削中，為了實現切削過程中刀具恒定的（de）工作角度，則要求刀具（jù）“偏心（xīn）”，這也是非圓車削中（zhōng）刀（dāo）具恒定工作角度實現的關鍵。

筆者利用的是一台配備有SIMENS840D係統的（de）具有CⅪ億四軸聯動的車床，從原理上能夠滿（mǎn）足上述非圓（yuán）車削的要求（qiú）。然而要實現（xiàn）車削加工（gōng），還需要數控程序的支持。

2、編程方法

常規的車削僅需（xū）要對xz軸進行編程，即對回轉體母線輪廓進行編程，主運動為主軸回轉。而非圓車削（xuē）是對單個（gè）截麵進行編程，即CXY軸編程（chéng），主運動為C軸進給，車削完一個截麵（miàn）C軸進給360。，編程方式類（lèi）似於加工中心。

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（zǔ）成的非圓截麵（miàn）的車削編程。事實上，任意曲線都能以給定的（de）誤差用圓弧曲線和直線進行擬合，因此采用本文的加工方式，理論上能夠實現任意非圓輪（lún）廓的車（chē）削【3】。

本節（jiē）首（shǒu）先討論單段直線和圓弧輪廓的編程方法，然（rán）後再討論各段在相切和相交時兩種情況的編程。本節示意圖的視圖均為操作者朝向主（zhǔ）軸方向，主軸順時針旋轉為正。

2．1單段輪廓的編程方法

2．1．1同心圓（yuán）弧的車削

圓弧圓心位於工件（jiàn）回轉中心，此情況（kuàng）即為常規的車削，此時刀具定位（wèi）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（dù）增（zēng）量。

2．1．2直線的（de）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（xuē），此時c軸（zhóu）靜止，其運動示（shì）意如（rú）圖3(b)所示，編程格式為（wéi）：

圖3非圓車削運動示意圖

2．1．3偏（piān）心圓弧的車削

前麵兩種情況，或者刀具靜止或者C軸靜止，運動關係比較清楚，當圓心不（bú）在回轉中心時，實際運動軌跡為C軸進給與刀具進給的合成運動。

更進一步，在O X軸插入點O’，使得00’=AC=A’B’，由於線段Ac和（hé）A’B’均平行於0X軸，則四邊形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’落在圓心為O’的圓弧上，其半徑值為回轉中心距BC圓弧（hú）中心點A的距離。由於（yú）B點的任（rèn）意性，因此在刀具切削圓弧BC上任意一點時，其實際切削點都落在圓弧（hú）CB”上（shàng），則切削點(刀具)的實際（jì）運動軌（guǐ）跡為圓弧cB’。

圖4偏心圓弧車削不（bú）意（yì）

在明確了工（gōng）件及刀具的運（yùn）動軌跡後，可以（yǐ）得到該類圓弧加工的編程（chéng）格式為（wéi）：

其中XY為終點B’的坐標值，IC為（wéi）偏心圓弧對應圓心角。

當切削圓弧為順時針方向時，可以得到（dào）相同的（de）結論。需要說明的是，如（rú）圖4所示，切削（xuē）的圓（yuán）弧（hú）CB為逆時針方向，而刀具的實際軌跡圓弧CB’為順時針方向（xiàng），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離，而非圓弧BC的半徑值。

2．2輪廓間過渡（dù）

由於在任意切削點位置，該點（diǎn）的法向矢量都要滿足與X軸線平（píng）行，因此在每段輪廓加工（gōng）開始前，工件都先進行定（dìng）位，以滿足矢量要求，通常選擇直線段作為初始加工輪廓（kuò）。在進行下一段輪廓加工時，如果輪廓之間保持相切，切點處法（fǎ）向矢量保持不變，則工件不需（xū）要重新定位，加工程序隻需把（bǎ）各單段輪廓連（lián）接起來即可。

圖5相（xiàng）交輪廓處過渡示意

若（ruò）相鄰輪廓不相切，則需要在兩段輪（lún）廓之間增加一行過渡程序段，對工（gōng）件進行定位，以滿足切削起始點的法向要（yào）求。如圖5所示，在相交點B處（chù），刀具與切削點B相對位置保持（chí）固定，C軸進給，因此刀具做圓弧插補，圓心為回轉中心，重新定位後，工件與刀具從位置ABC變換成位（wèi）置（zhì）～BIC’，該程（chéng）序段刀具實際不發生切（qiē）削（xuē）。過渡段編程格式如下：

其中xY為定位完成後終點B’坐標值，CR為回轉中心到切削點距離，IC為上一段輪廓結束到下（xià）一段輪廓開始C軸需要定向的角度增量，若該（gāi）角度值為正值，則圓（yuán）弧（hú）應為順時針，若角度值為負值，則（zé）圓弧（hú）應為逆（nì）時針。

3、試驗結果

圖6為一非圓輪廓，輪廓關（guān）於X軸對稱（chēng），由l段直線和3段偏心圓弧組成，在點（diǎn）A、D處輪廓相交（jiāo），其餘輪廓相切。試驗件采用2A12硬鋁進行車削，機床為DMG公司生產的四軸車床，數控係統為S玎怔NS840D。

圖6非圓試驗件尺寸圖（tú）示及加工程序

常規多軸車床中C軸的使用一般用於對工件進行定位和分（fèn）度，即使在程序段中進行多軸（zhóu）的編程，C軸與各軸也是分步進給的，但本文提出的非圓車削方法中（zhōng），C軸與XYZ進給軸必須進行聯動才能實現準確的切削路徑，因此需要在程序中加入FGROuP(x，Y，z，C)程序段，此（cǐ）命令用於協同各軸進給速度，此後程序段中F值單位為度／每（měi）分鍾，程序尾調用（yòng）F(iRouP()取消。

圖7非圓車削加（jiā）工試驗件

試驗件（jiàn）中非（fēi）圓車削等效每轉進給為0．2，車（chē）削表麵粗糙度小於Ra3．2，通過引（yǐn）入宏變量，還可以實現變截麵的車削，相比於銑削方式，加工更靈活。

4、結論

本文創新的提出了一（yī）種非圓車削加（jiā）工方法，該方法解決了傳統非圓車削中刀具工作角度不恒定的問題，同時討論規則非圓截麵車削的編程方法，利用手工即可實現非圓車削的編程，避（bì）免了常（cháng）規非圓車削需借助CAM軟件采集離散點的繁瑣。通過加工驗證（zhèng），該方法是可行的。

該方法可應用（yòng）於一般非圓輪廓截麵的（de）車削（xuē），如凸輪軸（zhóu）、橢圓軸的加工，可先利用相切圓弧逼近非圓（yuán）曲線，再根據本文提到編（biān）程方法進行加工。也可應用於一般異形（xíng）結構零件（jiàn），根據（jù）零件的（de）結構構造規則非圓截（jié）麵曲線，通（tōng）過非圓車（chē）削去除大部分加工餘量，圓角部分用（yòng）銑床（chuáng）進行清根，相比傳統的工藝方法，能極大提高加（jiā）工效率。

參考文獻：

【l】王少雷（léi），梁建明，王占（zhàn）英，等．非回轉工件（jiàn）基於三軸數控車床的加工方法【J】．煤礦機械，2014，9(35)：146．147．

【2】吳丹（dān）。王先逵，趙彤，等．非圓車削中刀具運動實（shí）現方法【J】．清華大學學報，2003，43(11)：1472．1475．

【3】黃標，李紅．用彼此（cǐ）相切（qiē）圓弧等誤（wù）差逼近非圓曲線fJ】．現代製造工程。2003，8：19—20．

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