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試論車刀幾何參數對數控車床加工精度的影（yǐng）響

2018-5-14 來源（yuán）：四（sì）川職業技術學院作者：李進東吳國明

【摘要】隨著工業技術的發（fā）展，數控車床在工業加工中的應用（yòng）越來越廣泛。數控加工過程中，一般對刀具刀尖的圓（yuán）弧半徑 r、主偏角 kr、刀尖距離零件中心高的偏差尺寸等幾何參數進行重點探究，以提高（gāo）工件表麵的光滑程度、減緩刀具磨損，便於對刀（dāo）具的切削力進行控製。刀具幾何參數對加工零件（jiàn）的軸向尺寸誤差和縱向尺（chǐ）寸誤差產（chǎn）生影響，加（jiā）工零件的表麵形狀也會出現變化。本（běn）文重點探究（jiū）了數控車床刀具刀尖圓弧（hú）半徑對零件加工精度的影響，便於零件加工（gōng）過程中采取有效的措施。

【關鍵詞】刀具（jù）幾何參數零件加工（gōng）精度（dù）影響

數控車床加工過程中，零件的質量會受（shòu）到多種（zhǒng）因素的影響，例如車刀刀具刀尖圓弧半徑、主偏角等幾何參數，刀（dāo）具使用過程中幾何參數將會出現變化，影響零件的加工質量、尺寸精度和形狀精度（dù），加快刀具的磨（mó）損程度。因此在零件加工的過（guò）程中，必須結合實際零件的尺寸，合理選擇刀具刀尖的圓弧半徑，應用有效的方（fāng）法提高零件的加工精度和（hé）加工質量。

1 、刀尖（jiān）圓弧半徑影響（xiǎng）圓柱類零件尺寸精度

車刀與被加工零件表麵的接觸切點運動形成完整的表麵（miàn），圖1 是幾（jǐ）種常（cháng）見的零件加工方式。

圖 1 典型零件加工方式

圖（tú）中 A 為刀尖圓弧頂點，當主偏角 kr= 90° 時，刀（dāo）尖圓弧頂點A 可以滿（mǎn）足被加工（gōng）零件軸（zhóu）向尺寸的精度要求。如( a) 所示，如果( D － d) /2 = ap＞ r，加工過程中刀尖圓弧半徑將會導致被加工零件（jiàn）的軸向尺寸出現變化（huà），將變化量記為△a，則△a = b － a = r，其中（zhōng） a 表示刀具的實際軸向位移尺寸，b 表示被加工零件的軸向尺寸，r 表（biǎo）示（shì）車刀刀（dāo）具刀尖的圓弧半徑。

此時的 a即為刀具實際軸向位移尺寸，其值為 a = b － △a = b － r。

圖中 A 為刀尖圓（yuán）弧頂點，當主偏角 kr= 90° 時，刀尖圓弧頂點A 可以滿足被加工零件軸向尺寸的精度要求。如( a) 所示，如果( D － d) /2 = ap＞ r，加工（gōng）過程中刀尖（jiān）圓弧半（bàn）徑將會導致被加工零件的軸向（xiàng）尺寸出現（xiàn）變化，將變化量記為△a，則△a = b － a = r，其中 a 表（biǎo）示刀具的（de）實際軸向位移尺寸，b 表示被（bèi）加工零（líng）件的軸向尺寸，r 表示車刀刀具刀（dāo）尖的圓弧半徑。此時的 a即為刀具實際軸（zhóu）向位移尺寸，其值為 a = b － △a = b － r。

如果( D － d) /2 = ap＜ r，刀（dāo）尖（jiān）的圓弧部（bù）分（fèn）將承擔（dān）全部的切削力，軸向尺寸（cùn）變化量△a 和車刀（dāo）刀具的實際位移長度 a 和前述計算方法相同。總之，在加工圓柱類（lèi）零件的過程中，車刀刀（dāo）具刀尖圓弧半徑和車刀的（de）主偏角（jiǎo）將會對被加工零（líng）件的軸向尺寸產生較（jiào）大的影（yǐng）響，在刀尖圓弧半徑不斷增大的（de）過程中，軸（zhóu）向尺寸的變（biàn）化量也會越大，反之（zhī）亦然。

因此在（zài）編製零件（jiàn）加工程序（xù）的同（tóng）時，必須注重軸向位移尺（chǐ）寸的改變，但是刀尖圓弧半徑和主偏角對（duì）圓柱類零件的徑向尺寸精度不會產生影響。2 刀（dāo）尖圓弧半徑影響單段錐體類（lèi）零件尺（chǐ）寸精（jīng）度圖 2 是單段錐體類零件的加（jiā）工示意圖。

圖 2 單段（duàn）錐體類零件的加工示意

加工單段錐體類零（líng）件的過程中（zhōng），如果車刀刀具位於（yú）初始加工店，即（jí）Ⅰ位置時（shí），刀尖圓（yuán）弧（hú）上的 B'點將與椎（zhuī）體類零（líng）件的（de）小端起點相切。軟件編程時也會以車刀（dāo）刀具（jù）刀尖圓弧的中心點為基準，將錐體類零件小端部分的軸（zhóu）向尺寸變化量記為。零件加（jiā）工結束後，車（chē）刀將會停（tíng）止（zhǐ）在Ⅱ位置，刀具刀尖圓弧半徑與錐（zhuī）體類零件相切於B 點。因（yīn）此（cǐ），如果刀（dāo）具的實（shí）際位移寸為 a，椎體類零件的軸向長

因此，在加工單段錐體類零件的過程中，必須重點考（kǎo）慮車刀刀尖圓環半徑的尺寸影響，在椎體軸向尺寸、徑向尺寸發生變化的過程（chéng）中，刀尖圓弧半徑增大，被加工零件的軸向尺寸也會增大，而徑向尺寸減（jiǎn）小，刀尖圓弧半徑減小，被加工零件的軸向尺寸減小，徑向尺寸增（zēng）大; 椎體零（líng）件的錐角增大，軸向尺寸的變化量增大，徑向尺寸（cùn）減小，椎體零件的錐角減小，軸向尺寸（cùn）減小，徑向尺寸增大。

3 、刀尖圓弧半徑影響雙段外錐麵零件表麵尺寸

加工雙段外錐麵零件的過程中，車刀刀具和零件的相對位置如圖 3 所示。

圖 3 雙段外錐麵零件加工

如果刀具位於初始加工位置（zhì），此時可以看作單椎體零件加工，軸（zhóu）向尺寸的變化與前（qián）述類（lèi）似，如果刀具位於圖 3 位置，處於第一段單段椎體加工的結束（shù）階段（duàn），也（yě）位（wèi）於第二段椎體的初始加工位置。這種情況（kuàng）下的刀尖圓弧和（hé）第一段（duàn）單段椎體零（líng）件和第二段椎體零件分別相切於點 B 和點 E。圖中 DBLEF 即為理論（lùn）要求軌跡，被加工零件受到圓弧半徑尺寸的影（yǐng）響，實際軌跡會變化為（wéi） DBL'EF，其中圓弧主要由車刀刀具（jù）刀尖圓弧形成。

在刀尖圓弧半徑的（de）影響下，被加工兩段椎體零件（jiàn）的軸向尺寸和徑向尺寸都會受到影（yǐng）響，其（qí）中第一段椎體的軸向（xiàng）尺寸（cùn）變化量△a1= b1－ a1= LC，由於 ∠BOH= α，∠EOH = β，因此（cǐ）∠BOE = β － α，刀尖圓弧與兩段椎體零件分別相切於 B、E 兩點，由幾何關係可知 EL = BL，因此 ∠BOL =∠EOL = ( β － α) /2。在∠BOL 中有（yǒu） BL = rtg［( β － α) /2］，在∠BCL中有 LC = BLcosα = rcosαtg［( β － α) /2］，此時車刀刀具（jù）的實際（jì）軸向位移（yí）尺寸為（wéi） a1= b1－ △a1= b1－ rcosαtg ［( β － α) /2 ］，其中

α、β分別表示第（dì）一段和第二段椎體的斜度（dù），同時也（yě）可以直接（jiē）得出第二段椎體零件的軸向尺寸變化大小△a2= EG = rcosβtg［( β － α) /2 ］，零件的實際軸向位移尺寸 a

2= b2－ △a2= b2－ rcosβtg ［( β － α) /2］。

此時第一段椎體的最大直徑尺寸為（wéi） dmax= d1－ △d1= d1－2rsinαtg［( β － α) /2］，第二段椎（zhuī）體的小端徑向尺寸變化量 △d2=2LG = 2rsinβtg［( β － α /2 ］，第二段椎體的最小直徑為 dmin= d2+△d2= d2+ 2rsinβtg［( β － α) /2］。

由以上分析可知，在加工雙段外椎體零件的過程中，受到刀尖圓弧尺寸的變化，零件的軸向尺寸也會出現（xiàn）變（biàn）化（huà），刀（dāo）尖圓弧半徑增大的同時，零件軸向尺寸增（zēng）大，軸向尺寸的變化會受（shòu）到兩椎體錐角的差值影（yǐng）響，兩椎體錐角增大時軸向尺寸也會增（zēng）大。分析徑向尺（chǐ）寸的（de）過程（chéng）中發現，刀尖（jiān）圓弧增大時，第一段椎體（tǐ）大端的徑向尺寸（cùn）減小，第（dì）二段椎體小端徑（jìng）向（xiàng）尺寸增大，兩椎體錐角差值增大時，第一段椎體（tǐ）大端的徑向尺寸減小，第二段椎體小端徑向尺寸增大。4 刀尖圓弧半徑影（yǐng）響球麵類（lèi）零件表麵加工尺寸加工過程中，車刀和被加工零件的相對（duì）位（wèi）置如圖 4 所示（shì）。

圖（tú） 4 球麵類零件加工示意

如果加工過程（chéng）中由內向外走刀，刀具處於位置（zhì）Ⅰ時，此時零（líng）件的軸向尺寸變化為△a = b － a = r，在將非整半球麵時，刀具處於位置Ⅱ，此時刀尖圓弧 B 點與球麵類零件相切，這種情（qíng）況下零件的（de）軸（zhóu）線尺寸變化量為△a = b － a = EF = rsinα，其中 α 表示刀具和球麵類零件的（de）夾角，此時（shí）刀具的實際軸向位移尺寸可以表示為 a = b －△a =

( Ｒ－ r) sinα，在加工外球麵的過程中△a 取負（fù）值。

球麵（miàn）零件加工過程中，刀具圓弧 BC 上的不（bú）同點依次進行切（qiē）削，零件的軸向尺寸變化量為△a = EF，球（qiú）麵加（jiā）工結束後進行（háng）大端評價加工時，刀尖圓弧頂點（diǎn）和零件的端（duān）麵（miàn）相切，零件的（de）軸向尺寸變為 EF + AE，此時的徑（jìng）向尺寸變化量△d = 2BE = 2rcosα，此時球（qiú）麵（miàn）的最大（dà）直徑變為 Dmax= D － △d = D － 2rcosα，零件的軸向尺寸由原來的 b 變為b' = b － AE。由（yóu）以上分析可知，加工內球（qiú）麵零件的過程中，刀（dāo）尖圓弧半徑影響零件的軸向尺寸變化（huà），刀尖（jiān）圓弧半徑增大的同（tóng）時，軸向尺寸減小，球（qiú）麵夾角增大（dà）時，軸向尺（chǐ）寸也（yě）會減小。

5 、結語

車刀（dāo）刀具刀尖（jiān）圓弧半徑影（yǐng）響零件（jiàn）的加工精度，在不（bú）同形狀零件的加（jiā）工過程中，需要重視對零件加（jiā）工精度的控製。例如在軟件編程過程轉給你可（kě）以（yǐ）對刀具（jù）刀尖的軌跡（jì）進行調整，保證刀尖的實際（jì）加工軌跡和理（lǐ）想軌跡相符合，可以借助幾何計算的方法將（jiāng）刀尖軌跡轉換為理想刀尖軌跡，編程過程中嚴格遵守草圖繪製、軌跡模擬、編程的步驟。

另（lìng）外在實際加工過程中需要及時檢查所應用刀具的圓弧半徑 r，對刀過程中充分考慮刀具刀尖圓弧（hú）半徑的影響（xiǎng），可以借助數控車（chē）床係統刀具補償功能（néng）進行尺寸優化。

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