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多軸車床非圓車削加（jiā）工的實現

2016-8-12 來源：中國工（gōng）程物理研究院機械（xiè）製造工藝研究所（suǒ）作者：李廣正（zhèng）李佳（jiā）偉周茂書

摘要（yào）：創新性的提出了一種非（fēi）圓車削（xuē）加工方法。非圓車削相比與銑削加工方式（shì）具有刀具適應性強（qiáng）的特點，加工特殊結（jié）構零件時能極大的提高加（jiā）工效率、降低成本。該方法利用多軸（zhóu）車（chē）床現有功能（néng），通過增（zēng）加Y軸運動，解決了傳統非圓車削中不可避免的刀（dāo）具工作角度變化的問（wèn）題，同時討論了非圓規則截麵車削的編（biān）程方（fāng）法，通過加（jiā）工驗證該方法是可行的。

關鍵詞（cí）：非圓車削；多軸車床；偏心圓弧；刀具工作角度

0、引言

車（chē）削加工和銑削加工是機械加工（gōng）中最常用的兩（liǎng）種加工方式，其各自有明確的加工對象、刀具（jù）以及編程方法。傳統的車削方（fāng）法隻能加工回轉類結（jié）構的零件。對於（yú）非圓截麵(如凸輪)或是回轉體上有凸台等結構的零，件，傳統（tǒng）車床是無法加工的。

圖l典型的非回轉體零件加工

如圖1所示，若采用側刃（rèn）銑削外型麵，則（zé）要求（qiú）刀具具有較（jiào）長的（de）刃長，而在對工件內腔進（jìn）行銑削時，為了避免（miǎn）刀具幹涉，常（cháng）采用角度頭加球頭銑（xǐ）刀的加工方（fāng）式，刀具剛度（dù）減（jiǎn）弱（ruò），切削條件惡劣，切削表麵質量差且切削（xuē）效率也（yě）受到影響。而車削過程中切削路徑為連續軌跡，切削質量（liàng）通常（cháng）較高，且車刀（dāo）不受工件（jiàn）曲率半徑約束，對零件（jiàn）適應性較好。因此，對於特殊的非（fēi）回轉體類零件，以車代銑是工（gōng）藝優（yōu）化的方向。

從幾何（hé）形（xíng）狀上看，非圓截麵上各（gè）處徑向尺寸隨轉角連續（xù）變化，為（wéi）了實現非圓截麵的車削，最直接的方式（shì）就（jiù）是在一個車（chē）削回（huí）轉周期上進行快速的（de）X軸徑向插（chā）補，文獻中利用（yòng）UG和MALAB軟件生成可用於車床的數控代碼n】，但是此時刀具的工作前後角隨著轉角不（bú）斷變化，尤其是在非圓度較大的地方。這種切削角度不斷變化會引起切削力波動，影響加工表麵質量，還可能存在負後角的地方，發生刀具幹涉。文獻【2】基於傳統兩軸機（jī）床，設計了一（yī）種複合機構，控製刀具的位置與姿態，使刀具保持理想的工作角度，但是需要額外的運動機構和控製係統，實現（xiàn）起來（lái）較複雜。

為了實現恒定的刀（dāo）具工作角度（dù），筆者利用機床已有的功能，在不增加額外運動機構的情況下，提出（chū）了一（yī）種新的非圓截麵車削加（jiā）工方（fāng）案。

1、恒角度非圓車（chē）削實現

凸輪為典型的非圓零件，如果把（bǎ）凸輪作為驅動件，從動件為假想刀（dāo）具，接觸點（diǎn）為假想切削點，則（zé）研究凸輪機構中接觸點的運動軌（guǐ）跡可以幫助理解刀具在非（fēi）圓車（chē）削時的運動軌跡與姿態。根據從動件的幾（jǐ）何形狀，可分為（wéi）三（sān）種情況：1)尖底；2)滾子；3)平底，三種凸（tū）輪（lún）機構及其對應接觸點的法向矢量示（shì）意如圖（tú）2所示。

圖2凸輪（lún）機構接觸點法向矢（shǐ）量示意

刀具的（de）工作（zuò）基麵是根據切削速度矢（shǐ）量建立的，根據文獻【2】，非圓車削時的合成（chéng）切削速度方向即為非圓輪廓曲線過切削點的（de）瞬時切線方向。在尖底和滾子凸輪機構中，過接觸點的瞬時切（qiē）線方向都在不斷（duàn）變化，因此為了實現恒定（dìng）刀具工作（zuò）角度，需要根據非圓輪廓調（diào）整刀具的姿態。而在平底（dǐ）凸輪機構運動過程中，接觸點在非（fēi）圓輪廓上的切線（xiàn）方向保（bǎo）持（chí）為水平方向，此時接觸點並不在對稱中心處，若刀（dāo）具的切削點與凸輪接觸（chù）點重合，此時刀具有恒定的工作角度。

傳統車削加工一般要求刀心通過（guò）工件回轉（zhuǎn）中心以獲得理想的工作角度，而在非圓車（chē）削中，為了實現切削過程中刀（dāo）具恒定的工作角度，則要（yào）求刀具“偏心”，這也是非圓車削中刀具恒定（dìng）工作（zuò）角度實現的關鍵。

筆者利用的（de）是一台（tái）配備（bèi）有SIMENS840D係統的具（jù）有CⅪ億四軸聯動的車床，從原理上能夠滿足上述非圓車削的要求。然而要實現車削加工，還需要數控程序的支持。

2、編程方法

常（cháng）規的車削僅需要對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。而非圓車削是對單個截麵進行編程，即CXY軸編程，主運動為C軸進給，車削完一個截麵C軸進給360。，編程方式類似於（yú）加工中心。

目前的數控插補以直線和圓弧插（chā）補為主，本文也僅討（tǎo）論由直線和圓弧組（zǔ）成的非圓截麵的車削編程。事實上，任意曲線都能（néng）以給定的（de）誤差用圓弧曲線和直（zhí）線進行擬合，因此采用本文的加工方式，理論（lùn）上能夠實現任意非（fēi）圓輪廓的車削【3】。

本（běn）節首先討論單段（duàn）直線和圓弧（hú）輪廓（kuò）的編程方（fāng）法（fǎ），然後再討論各段在相切和相（xiàng）交時兩種情況的編（biān）程。本節示意圖的視圖均為操作者朝向主軸方向（xiàng），主（zhǔ）軸順時針（zhēn）旋轉為正（zhèng）。

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，此情況即為常規（guī）的車削，此時刀具定位到象（xiàng）限點，保持靜（jìng）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（hú）的角度增量。

2．1．2直線的車削

由於（yú）直線的（de）法向矢量為恒定的，因此在直線段的車（chē）削（xuē）時，刀具僅產生Y軸（zhóu）位移（yí）對工件進行拉削，此（cǐ）時c軸靜止，其運動示意如（rú）圖3(b)所示，編程格式為：

圖3非（fēi）圓車削（xuē）運動示意圖

2．1．3偏心圓弧（hú）的（de）車削

前麵兩種情況，或者刀具靜止（zhǐ）或者C軸（zhóu）靜止，運動關係比較清楚，當圓心不在回轉中心時，實際（jì）運動軌跡為C軸進給與（yǔ）刀具進給的合成運動。

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（zhí）為回轉中心距（jù）BC圓（yuán）弧中心點A的距離。由於B點的任意（yì）性，因此在（zài）刀具切削圓弧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)的實際運動軌跡為圓弧cB’。

圖4偏（piān）心圓弧車削不（bú）意

在明確了（le）工件及刀具的運動軌跡（jì）後，可以得到該類圓弧加工（gōng）的編程格式為：

其中XY為終點B’的坐標值，IC為偏心（xīn）圓弧對應圓心角。

當切削圓弧為順時針方向時，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（shàng）要與常規相反，且CR值為回轉中（zhōng）心到圓弧中心距離，而非圓弧BC的半徑值。

2．2輪廓間過渡

由於在任意切削點位置，該點的法向矢量都要滿足與（yǔ）X軸線平行，因此在每段輪廓加工開始前，工件都先進行定位（wèi），以滿足矢量要求（qiú），通常選擇直線段作為初始加工輪廓。在進行下一段輪廓加工時，如果輪廓之間（jiān）保持相切，切（qiē）點處法向矢量保持不變，則工件不需要重新定位，加工（gōng）程（chéng）序隻需把各單段輪廓連接起來即可。

圖5相（xiàng）交輪廓處（chù）過渡示意

若相鄰輪廓不相切，則需要在兩段輪廓之間增加一（yī）行過渡程序段，對工件（jiàn）進行定（dìng）位，以（yǐ）滿足切削起始點的法向要（yào）求。如圖5所示，在相交點B處，刀具與（yǔ）切削點（diǎn）B相對位置保持固定，C軸進給，因此刀具做圓弧插補，圓心為回轉中心，重新定位（wèi）後，工件與刀具（jù）從位置ABC變換（huàn）成位置～BIC’，該程序段刀具實際不（bú）發生切削。過渡段編程（chéng）格式如（rú）下：

其中xY為定位完成後終點B’坐（zuò）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一段輪廓開始C軸（zhóu）需要（yào）定向的角度增量（liàng），若該（gāi）角度值為正值，則圓弧應為順時針（zhēn），若角度值（zhí）為負（fù）值，則圓弧應為逆時針。

3、試驗結果

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（piān）心（xīn）圓弧組成（chéng），在點A、D處輪廓相（xiàng）交，其（qí）餘輪廓相切。試驗件采（cǎi）用2A12硬鋁進行車（chē）削，機床為DMG公司生產的四軸車床（chuáng），數控係統為S玎怔NS840D。

圖6非圓試驗件（jiàn）尺寸圖示及加工程序

常規多軸車床中C軸的使用一般用於對工件（jiàn）進（jìn）行定位和分度，即使（shǐ）在程序段中進行多軸的編程，C軸與各軸也是分步進給的，但（dàn）本（běn）文提出的非圓車削方法中，C軸與XYZ進（jìn）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，此命令用於協同各軸進給速度，此後（hòu）程序段中F值單位為度／每（měi）分鍾，程（chéng）序尾調用F(iRouP()取消。

圖7非圓車削加工試驗件

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

4、結論

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

該方法可應（yīng）用於（yú）一般非圓輪廓截（jié）麵的車削，如凸輪軸、橢圓軸的（de）加工，可先利用相切圓弧逼近非圓曲線，再根據本文提到編程方法進行加工。也可應用於一般異形結構零（líng）件，根據零件的結構構造規則非圓截麵曲線，通過非（fēi）圓（yuán）車削去（qù）除大部分加工（gōng）餘量，圓角部分用銑床進行清根，相比傳統的工藝方法（fǎ），能極（jí）大提高加工效率。

參考文獻：

【l】王少雷，梁建明，王占英（yīng），等（děng）．非（fēi）回轉工件基於三軸數（shù）控（kòng）車床的加工方法【J】．煤礦機械，2014，9(35)：146．147．

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

【3】黃（huáng）標，李紅．用彼此相切圓弧等誤差（chà）逼（bī）近非圓（yuán）曲線fJ】．現代製造工程。2003，8：19—20．

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