數控車床加工（gōng）錐麵的刀具軌跡（jì）設計與優化
2020-5-18 來（lái）源： 茂名職業技術學院（yuàn） 作者：肖（xiāo）日增
摘（zhāi）要：分析常用多重循（xún）環指令 G71，G72，G73 和錐麵切削循環指令 G90，直線插補指令 G01 的適用範圍及優缺點。結合具體錐麵工件，提供了一種加工錐麵刀具軌跡的優化方法，借助 Auto CAD 繪製（zhì）刀具軌跡圖，查找錐麵切削循環指令 G90 刀具軌跡的快速退刀拐點的坐標，縮（suō）短走（zǒu）空刀（dāo）的路程；並利用 G90 的（de）模態特性簡（jiǎn）化縮短程序，編寫了具體加工程序並（bìng）進行實踐應用。這種優化方法可明顯提高大批量生產效率，具有推廣價值。
關鍵詞：數控車床；加工（gōng）錐麵；刀具（jù）軌跡；優化
0 引（yǐn）言（yán）
圓錐（zhuī）麵加工（gōng）可使（shǐ）用（yòng）車普通床或數控車床實現。使（shǐ）用（yòng）普通車床加工圓錐（zhuī）麵，要依靠旋轉小滑板到所需角度進行加工，加工過程要通（tōng）過多次試（shì）切進行調整角度（dù），用萬能角度尺不斷測量工件錐角，直到需要角度。
由於在調整角度過程中車床角度（dù）刻度盤的每刻度是 1°，所以普通車床存在（zài）係統誤差，難以達到設計要求和加工要求。
現在加工圓錐配合麵或精度要求高的圓錐（zhuī）麵都使用（yòng）數控車（chē）床（chuáng）加工。
精度和效率是數控車（chē）床加工需要考（kǎo）慮的主要問題。以提高數控加工效（xiào）率為（wéi）目標，可以選擇（zé）合理的加工（gōng）工藝參、方法，縮短切削時間，提高加工效率；還可以（yǐ）通過產生合理簡潔的刀具路徑，在保證加工精度要求下最大（dà）限度優化刀具軌跡（jì），減少加工時（shí）間，實現（xiàn）高效率的加工
。
設計合理（lǐ）高效的刀具軌跡是（shì）提高加工效率的一個重（chóng）要環節。數控車床錐（zhuī）麵加工可應用的加工指令很多 ， 基於GSK980TD 機床，就有多重循環指令 G71，G72，G73，切削循（xún）環指令 G90 及直線（xiàn）插補指令 G01 可供選擇（zé），這些指令生成的刀具軌跡各有優（yōu）點，可應用於不同錐麵（miàn）加工。
1 、數（shù）控車床加工錐麵的常（cháng）用刀具軌跡（jì）
軸向粗車循環指令 G71 適用於如棒狀非成型毛坯的粗車加工（gōng）（圖 1），徑向粗車循（xún）環指令 G72 適用於如盤狀非成型毛坯的粗車加（jiā）工（圖 2）。
圖 1 G71 指令循環軌跡
圖 2 G72 指令循（xún）環軌跡
從刀具（jù）軌跡可見，其最大區別在於進刀方向：G71 軸向進刀（dāo）車（chē）削，G72 徑向進（jìn）刀車削。封閉切（qiē）削循環指令G73，適用於（yú）成型毛坯的粗車加工，刀具軌跡（jì）如圖（tú） 3 所示。
圖 3 G73 指令（lìng）循（xún）環軌跡
G71，G72 與 G73 都可（kě）以在本指令上預留精加工餘量，由後續精加工指令 G70 加工，應用起來也是這樣。從加工效（xiào）率角度考慮，G72 更適用於加工錐度大於 2：1 的圓錐麵，G71 更適合加工錐度小於 2∶1 的圓錐麵。
加工錐麵時，G71，G72 會留下鋸齒狀加（jiā）工（gōng）餘量，如果背吃刀量較大，最後一刀仿形（xíng）車削的切削力波動很大，會影響刀具壽命和加工質（zhì）量。徑向進刀或軸向（xiàng）進刀都（dōu）對錐麵存在較大擠壓力，使工件（jiàn）形成較大的內應力。
因（yīn）而對高（gāo）精錐麵加工，G71，G72 並非最（zuì）佳選擇。
毛（máo）坯的粗車加工，如果用於加工（gōng）棒料毛（máo）坯，由（yóu）於（yú）偏置刀量的累積，表層加工階段會走很多空刀，嚴重影響加工效率。因而對於使用棒料毛坯加工圓（yuán）錐麵，G73 也不是（shì）一個較好（hǎo）選擇。切削循環指令 G90 可實現柱麵（miàn）或錐麵切削循環，從切（qiē）削點開始，進（jìn）行徑向（X 軸（zhóu））進刀或軸向（Z 軸）進刀，也可以 X、Z 軸同時切削，即可直接加（jiā）工錐麵，刀具軌跡如圖 4 所示。
圖 4 G90 指令軌跡
加工錐麵指令格式為：G90 X__ Z__ R__ F__；其中 R 為切削起（qǐ）點與切削終點 X 軸絕對坐標的（de）差值（半徑值（zhí）），帶方向。應用 G90 錐麵切削循環指令具有減少切削應力的優點，因為直接加工錐麵，走刀方向就是錐度方（fāng）向，比直接軸向（xiàng）或（huò）徑向（xiàng）進刀的 G71，G72，G73
，G90 的軸向與徑向的切（qiē）削分力小很多。
如圖 5 所示（shì），基麵 Pr上切深抗力 Fy、進（jìn）給抗力 Fx合成基麵上的合力 Fxy，基麵（miàn）上的合力 Fxy顯然是對工件產生內應（yīng）力影響最大的。假（jiǎ）設切深抗力 Fy一樣大（dà），直接軸向的進（jìn）給抗（kàng）力 Fx1與 G90 指令的（de）斜向走刀的進給抗力 Fx2相（xiàng）等，由（yóu）力的四邊形法則可知（zhī），合力 Fy2比合力 Fxy1小（xiǎo）很多。
圖 5 基麵 Pr 上的切削力（lì）
錐麵切削（xuē）循環指令 G90 的斜（xié）向（xiàng）走刀時，相當於減小了主偏角，但切深抗力 Fy不增反減，這是因為工作平麵已經改變，進給方向為錐（zhuī）麵（miàn）方向。假設（shè）合力 Fxy2與合力 Fxy1相等，則 Fy會因斜向走刀變得更小，從而（ér）減小了工件的變形和振動。
G90 指令（lìng）是人（rén）工分層編寫背吃刀量的，比背吃刀量（liàng）自動分層的G71，G72 指令更利於靈活規劃粗加工（gōng）、半（bàn）精加工及精加工。利用 G90 錐麵切削循環指令為模態（tài）指令還可簡化編程，不用指定切削起點和退刀點過程，隻須指定切削終點：X 為切削終點 X 軸絕對坐標，Z 為切削終點 Z 軸絕對坐標。
G01 指令雖（suī）然也可通過走斜線插補實現錐麵切削，但要指定快速插補G00 及直線插補 G01 的所有起始點，編程過程繁瑣。
2 、數控車（chē）床加工錐麵的刀具軌跡優化
以上各（gè）種刀具軌跡描述（shù）了加工過程中刀具相對於工件運動的具體方式、路徑與位置，包（bāo）括有效的切削運動軌跡和輔助運動軌跡（jì），切削運動軌跡以實線表達，輔助運動軌跡以虛線表達。
輔助（zhù）運動軌跡（jì）主要用於刀具定位、切削軌跡段間轉接等，雖不直接（jiē）參與工件的成型，但卻是加工中不可缺少的過程，一般都以快速定位指令 G00 實現，路徑長且需要花費一定的加工（gōng）時（shí）間。
圖 6 所示的錐（zhuī）麵工件（jiàn），是大（dà）量生產的壓管機（jī）彈簧壓頭的半成品，其錐麵加工是加（jiā）工（gōng）質（zhì）量和加工效率的關鍵。
根據前麵各種刀具軌跡的（de）分析，決定選用 G90 指令實現錐麵切削（xuē）循環（圖 7）。依圖分析可知，切削進給的刀具軌跡有一半是沒實質加工的，浪（làng）費了（le）近一半的加工時間。進行大批量加工應要求優化刀具軌（guǐ）跡，減少空走刀的時間。
圖 6 錐（zhuī）麵零件
圖7 G90 優化前刀具軌跡 14.5°
優化方法：借助 Auto CAD 在外輪廓的基礎上先（xiān）繪刀具（jù）軌跡圖（tú），查找錐麵切（qiē）削循環指令 G90 刀具軌跡的快速退（tuì）刀拐點的（de）坐（zuò）標，縮短（duǎn）走空刀的路程（圖 8）。當 X 值大於材料直徑時，刀具即立即軸向退刀（dāo），省去了近一半的刀具軌（guǐ）跡行程（chéng）。
但刀具軌跡（jì）的各個拐點如（rú）果采用 G01 指令編程將會使程序變得（dé）很長，此（cǐ）時，可應用（yòng）G90 指令進行（háng）優化，使用 Auto CAD 查詢出切削起（qǐ）點與切削終點 X 軸絕對坐（zuò）標的差值（半徑值），即可節（jiē）省每段程序的 X 值的（de）輸（shū）入。
切削終點 Z值設定為刀具剛好離開所加工外錐（zhuī）麵開始走空刀時確定的 Z 值。優化後的刀具軌跡如圖 9 所示，明顯減少了走空刀的刀具軌跡，加工效率大幅提高。
圖8 優化刀具軌跡的（de）坐標取值
應用 G90 指令進行圓錐切削優化後的程序如下 ：
3 、結論（lùn）
加工實踐表明，應用 G71 刀具軌跡（jì）加工一個錐麵用（yòng）時 15 min，而應用優化後的 G90 指令刀具軌跡加工一個錐麵是 8 min，效率（lǜ）提高近一倍，證明了這種（zhǒng）加工優（yōu）化方（fāng）法的有效性。這種優化方法對於大批量生（shēng）產具有重要意義，有推廣價值。但這隻是對一個工件的優化法，適合大批量、高精度的錐（zhuī）麵加工，對小批量（liàng）而多種錐度不同的工件還可以應用宏程序進行 優化。
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