李廣正，李佳偉，周茂書

（中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

多軸車床非圓車削加工的實(shí)現(xiàn)

李廣正，李佳偉，周茂書

（中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900）

創(chuàng)新性的提出了一種非圓車削加工方法，非圓車削相比與銑削加工方式具有刀具適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，加工特殊結(jié)構(gòu)零件時(shí)能極大的提高加工效率、降低成本。該方法利用多軸車床現(xiàn)有功能，通過增加Y軸運(yùn)動(dòng)，解決了傳統(tǒng)非圓車削中不可避免的刀具工作角度變化的問題，同時(shí)討論了非圓規(guī)則截面車削的編程方法，通過加工驗(yàn)證該方法是可行的。

非圓車削；多軸車床；偏心圓??；刀具工作角度

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，其各自有明確的加工對(duì)象、刀具以及編程方法。傳統(tǒng)的車削方法只能加工回轉(zhuǎn)類結(jié)構(gòu)的零件。對(duì)于非圓截面（如凸輪）或是回轉(zhuǎn)體上有凸臺(tái)等結(jié)構(gòu)的零件，傳統(tǒng)車床是無法加工的。

圖1　典型的非回轉(zhuǎn)體零件加工

如圖1所示，若采用側(cè)刃銑削外型面，則要求刀具具有較長的刃長，而在對(duì)工件內(nèi)腔進(jìn)行銑削時(shí)，為了避免刀具干涉，常采用角度頭加球頭銑刀的加工方式，刀具剛度減弱，切削條件惡劣，切削表面質(zhì)量差且切削效率也受到影響。而車削過程中切削路徑為連續(xù)軌跡，切削質(zhì)量通常較高，且車刀不受工件曲率半徑約束，對(duì)零件適應(yīng)性較好。因此，對(duì)于特殊的非回轉(zhuǎn)體類零件，以車代銑是工藝優(yōu)化的方向。

從幾何形狀上看，非圓截面上各處徑向尺寸隨轉(zhuǎn)角連續(xù)變化，為了實(shí)現(xiàn)非圓截面的車削，最直接的方式就是在一個(gè)車削回轉(zhuǎn)周期上進(jìn)行快速的X軸徑向插補(bǔ)，文獻(xiàn)中利用UG和MALAB軟件生成可用于車床的數(shù)控代碼[1]，但是此時(shí)刀具的工作前后角隨著轉(zhuǎn)角不斷變化，尤其是在非圓度較大的地方。這種切削角度不斷變化會(huì)引起切削力波動(dòng)，影響加工表面質(zhì)量，還可能存在負(fù)后角的地方，發(fā)生刀具干涉。文獻(xiàn)[2]基于傳統(tǒng)兩軸機(jī)床，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合機(jī)構(gòu)，控制刀具的位置與姿態(tài)，使刀具保持理想的工作角度，但是需要額外的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。

為了實(shí)現(xiàn)恒定的刀具工作角度，筆者利用機(jī)床已有的功能，在不增加額外運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下，提出了一種新的非圓截面車削加工方案。

1　恒角度非圓車削實(shí)現(xiàn)

凸輪為典型的非圓零件，如果把凸輪作為驅(qū)動(dòng)件，從動(dòng)件為假想刀具，接觸點(diǎn)為假想切削點(diǎn)，則研究凸輪機(jī)構(gòu)中接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以幫助理解刀具在非圓車削時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)。根據(jù)從動(dòng)件的幾何形狀，可分為三種情況：1）尖底；2）滾子；3）平底，三種凸輪機(jī)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)接觸點(diǎn)的法向矢量示意如圖2所示。

圖2　凸輪機(jī)構(gòu)接觸點(diǎn)法向矢量示意

刀具的工作基面是根據(jù)切削速度矢量建立的，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，非圓車削時(shí)的合成切削速度方向即為非圓輪廓曲線過切削點(diǎn)的瞬時(shí)切線方向。在尖底和滾子凸輪機(jī)構(gòu)中，過接觸點(diǎn)的瞬時(shí)切線方向都在不斷變化，因此為了實(shí)現(xiàn)恒定刀具工作角度，需要根據(jù)非圓輪廓調(diào)整刀具的姿態(tài)。而在平底凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，接觸點(diǎn)在非圓輪廓上的切線方向保持為水平方向，此時(shí)接觸點(diǎn)并不在對(duì)稱中心處，若刀具的切削點(diǎn)與凸輪接觸點(diǎn)重合，此時(shí)刀具有恒定的工作角度。

傳統(tǒng)車削加工一般要求刀心通過工件回轉(zhuǎn)中心以獲得理想的工作角度，而在非圓車削中，為了實(shí)現(xiàn)切削過程中刀具恒定的工作角度，則要求刀具“偏心”，這也是非圓車削中刀具恒定工作角度實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

筆者利用的是一臺(tái)配備有SIMENS840D系統(tǒng)的具有CXYZ四軸聯(lián)動(dòng)的車床，從原理上能夠滿足上述非圓車削的要求。然而要實(shí)現(xiàn)車削加工，還需要數(shù)控程序的支持。

2　編程方法

常規(guī)的車削僅需要對(duì)XZ軸進(jìn)行編程，即對(duì)回轉(zhuǎn)體母線輪廓進(jìn)行編程，主運(yùn)動(dòng)為主軸回轉(zhuǎn)。而非圓車削是對(duì)單個(gè)截面進(jìn)行編程，即CXY軸編程，主運(yùn)動(dòng)為C軸進(jìn)給，車削完一個(gè)截面C軸進(jìn)給360°，編程方式類似于加工中心。

目前的數(shù)控插補(bǔ)以直線和圓弧插補(bǔ)為主，本文也僅討論由直線和圓弧組成的非圓截面的車削編程。事實(shí)上，任意曲線都能以給定的誤差用圓弧曲線和直線進(jìn)行擬合，因此采用本文的加工方式，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)任意非圓輪廓的車削[3]。

本節(jié)首先討論單段直線和圓弧輪廓的編程方法，然后再討論各段在相切和相交時(shí)兩種情況的編程。本節(jié)示意圖的視圖均為操作者朝向主軸方向，主軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。

2.1單段輪廓的編程方法

2.1.1同心圓弧的車削

圓弧圓心位于工件回轉(zhuǎn)中心，此情況即為常規(guī)的車削，此時(shí)刀具定位到象限點(diǎn)，保持靜止，C軸進(jìn)給，其運(yùn)動(dòng)示意如圖3(a)所示，編程格式為：

其中X值為圓弧半徑值， IC為圓弧的角度增量。

2.1.2直線的車削

由于直線的法向矢量為恒定的，因此在直線段的車削時(shí)，刀具僅產(chǎn)生Y軸位移對(duì)工件進(jìn)行拉削，此時(shí)C軸靜止，其運(yùn)動(dòng)示意如圖3(b)所示，編程格式為：

圖3　非圓車削運(yùn)動(dòng)示意圖

2.1.3偏心圓弧的車削

前面兩種情況，或者刀具靜止或者C軸靜止，運(yùn)動(dòng)關(guān)系比較清楚，當(dāng)圓心不在回轉(zhuǎn)中心時(shí)，實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為C軸進(jìn)給與刀具進(jìn)給的合成運(yùn)動(dòng)。

以逆時(shí)針圓弧BC為例，如圖4所示，其圓心為點(diǎn)A，假定工件靜止，則切削路徑為C到B。首先工件及刀具需要定位到位置1所示，此時(shí)AC平行于OX軸，當(dāng)切削到終點(diǎn)位置時(shí)，圓弧與刀具實(shí)際處于位置2，ABC繞O點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)變換成A'B'C'，此時(shí)線段A'B'平行于OX軸。易知該過程中C軸旋轉(zhuǎn)角度等于圓弧BC對(duì)應(yīng)的圓心角，即圓心角∠AOA'等于圓心角∠BAC。

更進(jìn)一步，在OX軸插入點(diǎn)O'，使得OO'=AC=A'B'，由于線段AC和A'B'均平行于OX軸，則四邊形OACO'和OA'B'O'都構(gòu)成了平行四邊形，使得O'C=OA=OA'=O'B'，則點(diǎn)C、B'落在圓心為O'的圓弧上，其半徑值為回轉(zhuǎn)中心距BC圓弧中心點(diǎn)A的距離。由于B點(diǎn)的任意性，因此在刀具切削圓弧BC上任意一點(diǎn)時(shí)，其實(shí)際切削點(diǎn)都落在圓弧CB''上，則切削點(diǎn)（刀具）的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧CB’。

圖4　偏心圓弧車削示意

在明確了工件及刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡后，可以得到該類圓弧加工的編程格式為：

其中XY為終點(diǎn)B'的坐標(biāo)值，IC為偏心圓弧對(duì)應(yīng)圓心角。

當(dāng)切削圓弧為順時(shí)針方向時(shí)，可以得到相同的結(jié)論。需要說明的是，如圖4所示，切削的圓弧CB為逆時(shí)針方向，而刀具的實(shí)際軌跡圓弧CB'為順時(shí)針方向，因此在G02/G03的判斷上要與常規(guī)相反，且CR值為回轉(zhuǎn)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

由于在任意切削點(diǎn)位置，該點(diǎn)的法向矢量都要滿足與X軸線平行，因此在每段輪廓加工開始前，工件都先進(jìn)行定位，以滿足矢量要求，通常選擇直線段作為初始加工輪廓。在進(jìn)行下一段輪廓加工時(shí)，如果輪廓之間保持相切，切點(diǎn)處法向矢量保持不變，則工件不需要重新定位，加工程序只需把各單段輪廓連接起來即可。

圖5　相交輪廓處過渡示意

若相鄰輪廓不相切，則需要在兩段輪廓之間增加一行過渡程序段，對(duì)工件進(jìn)行定位，以滿足切削起始點(diǎn)的法向要求。如圖5所示，在相交點(diǎn)B處，刀具與切削點(diǎn)B相對(duì)位置保持固定，C軸進(jìn)給，因此刀具做圓弧插補(bǔ)，圓心為回轉(zhuǎn)中心，重新定位后，工件與刀具從位置ABC變換成位置A'B'C'，該程序段刀具實(shí)際不發(fā)生切削。過渡段編程格式如下：

其中XY為定位完成后終點(diǎn)B'坐標(biāo)值，CR為回轉(zhuǎn)中心到切削點(diǎn)距離，IC為上一段輪廓結(jié)束到下一段輪廓開始C軸需要定向的角度增量，若該角度值為正值，則圓弧應(yīng)為順時(shí)針，若角度值為負(fù)值，則圓弧應(yīng)為逆時(shí)針。

3　試驗(yàn)結(jié)果

圖6為一非圓輪廓，輪廓關(guān)于X軸對(duì)稱，由1段直線和3段偏心圓弧組成，在點(diǎn)A、D處輪廓相交，其余輪廓相切。試驗(yàn)件采用2A12硬鋁進(jìn)行車削，機(jī)床為DMG公司生產(chǎn)的四軸車床，數(shù)控系統(tǒng)為SIMENS840D。

圖6　非圓試驗(yàn)件尺寸圖示及加工程序

常規(guī)多軸車床中C軸的使用一般用于對(duì)工件進(jìn)行定位和分度，即使在程序段中進(jìn)行多軸的編程，C軸與各軸也是分步進(jìn)給的，但本文提出的非圓車削方法中，C軸與XYZ進(jìn)給軸必須進(jìn)行聯(lián)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的切削路徑，因此需要在程序中加入FGROUP(X,Y,Z,C)程序段，此命令用于協(xié)同各軸進(jìn)給速度，此后程序段中F值單位為度/每分鐘，程序尾調(diào)用FGROUP()取消。

試驗(yàn)件中非圓車削等效每轉(zhuǎn)進(jìn)給為0.2，車削表面粗糙度小于Ra3.2，通過引入宏變量，還可以實(shí)現(xiàn)變截面的車削，相比于銑削方式，加工更靈活。

4　結(jié)論

本文創(chuàng)新的提出了一種非圓車削加工方法，該方法解決了傳統(tǒng)非圓車削中刀具工作角度不恒定的問題，同時(shí)討論規(guī)則非圓截面車削的編程方法，利用手工即可實(shí)現(xiàn)非圓車削的編程，避免了常規(guī)非圓車削需借助CAM軟件采集離散點(diǎn)的繁瑣。通過加工驗(yàn)證，該方法是可行的。

該方法可應(yīng)用于一般非圓輪廓截面的車削，如凸輪軸、橢圓軸的加工，可先利用相切圓弧逼近非圓曲線，再根據(jù)本文提到編程方法進(jìn)行加工。也可應(yīng)用于一般異形結(jié)構(gòu)零件，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)構(gòu)造規(guī)則非圓截面曲線，通過非圓車削去除大部分加工余量，圓角部分用銑床進(jìn)行清根，相比傳統(tǒng)的工藝方法，能極大提高加工效率。

[1] 王少雷,梁建明,王占英,等.非回轉(zhuǎn)工件基于三軸數(shù)控車床的加工方法[J].煤礦機(jī)械,2014,9(35):146-147.

[2] 吳丹,王先逵,趙彤,等.非圓車削中刀具運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào),2003,43(11):1472-1475.

[3] 黃標(biāo),李紅.用彼此相切圓弧等誤差逼近非圓曲線[J].現(xiàn)代制造工程,2003,8:19-20.

A method of non-circular turning by multi-axes lathe

LI Guang-zheng, LI Jia-wei, ZHOU Mao-shu

TH16

B

1009-0134(2016)02-0028-04

2015-12-06

李廣正（1987 -），男，主要從事機(jī)械制造工藝與加工的工作。