一種特殊零件的數(shù)控編程與加工

伍小建

（廣東省梅州市高級(jí)技工學(xué)校，廣東 梅州514071）

在某市舉行的數(shù)控車工技能競(jìng)賽中，有一個(gè)特殊零件（如圖1）需要加工（采用手工編程）。

圖1 技能競(jìng)賽中特殊零件

加工這個(gè)零件有一定的難度，主要有如下問(wèn)題需要解決：

（1）確定加工工藝；

（2）旋轉(zhuǎn)正弦曲線如何編程；

（3）保證總長(zhǎng)尺寸精度及平行度。

1 加工工藝

比賽現(xiàn)場(chǎng)提供的毛坯中有一根為Φ50 mm×100 mm的45鋼棒料，供圖1零件與另一個(gè)長(zhǎng)度為72 mm的零件合用。從結(jié)構(gòu)、精度、效率和現(xiàn)場(chǎng)條件等方面考慮，圖1零件不宜采取車好一頭后調(diào)頭裝夾車另一頭的方法，故采取如下加工工藝：

（1）用三爪卡盤夾Φ50 mm×100 mm的棒料，伸出長(zhǎng)度為28～30 mm；

（2）用Φ22 mm的麻花鉆鉆孔；

（3）車外圓（正弦曲線）及右端面；

（4）車內(nèi)孔；

（5）用內(nèi)尖刀在總長(zhǎng)20 mm末端預(yù)先車出內(nèi)倒角；

（6）把工件切斷，保證總長(zhǎng)（20±0.02）mm及平行度。

2 旋轉(zhuǎn)正弦曲線的編程

2.1 非圓曲線手工編程難點(diǎn)的原因

非圓曲線用CAM軟件進(jìn)行自動(dòng)編程相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但在絕大多數(shù)情況下，數(shù)控車床主要還是依靠手工編程。非圓曲線的手工編程，是數(shù)控編程中的難點(diǎn)，主要原因有：

（1）數(shù)控系統(tǒng)本身不存在加工非圓曲線的指令，要用許多微小的直線段來(lái)逼近非圓曲線輪廓，要編制宏程序，要熟悉數(shù)學(xué)計(jì)算，使用循環(huán)語(yǔ)句或條件轉(zhuǎn)移語(yǔ)句等，進(jìn)行變量編程。

（2）要熟悉參數(shù)變化及其相互關(guān)系。程序中的參數(shù)如選取不當(dāng)，很容易產(chǎn)生過(guò)切或欠切等現(xiàn)象，甚至造成工件報(bào)廢。

（3）為了保證加工精度，精車需要選取較小的步距，并進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償。但步距過(guò)?。淳€段過(guò)短），又無(wú)法進(jìn)行半徑補(bǔ)償；步距過(guò)大，則擬合誤差過(guò)大；而加工中能夠執(zhí)行的最小步距，又與刀尖圓弧半徑的大小有關(guān)。因此要根據(jù)實(shí)際情況合理選取步距。

2.2 旋轉(zhuǎn)正弦曲線編程難的原因

如果非圓曲線的軸線與數(shù)控車床Z軸（或X軸）平行（如本零件中的32 mm×20 mm橢圓），則難度還不是很大，這里就不再敘述。而本零件中的正弦曲線軸線與數(shù)控車床Z軸呈一定夾角（即旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度），編程難度大大增加，原因除了上述幾點(diǎn)之外，還有下列兩點(diǎn)：

（1）常用的車床數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)指令。

（2）非圓曲線旋轉(zhuǎn)后數(shù)學(xué)計(jì)算更加復(fù)雜。

2.3 計(jì)算和編程方法

如圖2，先以本零件正弦曲線起點(diǎn)O1為原點(diǎn)建立一個(gè)直角坐標(biāo)系X'O1Z'，坐標(biāo)系的O1Z'與正弦曲線的軸線重合。

圖2 旋轉(zhuǎn)正弦曲線的坐標(biāo)

正弦曲線參數(shù)為t，起點(diǎn)t為零。正弦曲線上任一點(diǎn) P到 O1X′的距離為 B'P，到 O1Z'的距離為A'P。根據(jù)正弦曲線的參數(shù)方程，P在X′O1Z'坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的計(jì)算公式為

X'=A'P=O1B'=1.5 sin t

Z'=B'P=O1A'=16 t/360°

（t為0°～-360°范圍內(nèi)的任一角度）

再以O(shè)1為原點(diǎn)建立一個(gè)與數(shù)控車床坐標(biāo)系平行的坐標(biāo)系X1O1Z1，該坐標(biāo)系相當(dāng)于X'O1Z′坐標(biāo)系繞原點(diǎn)O1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°。正弦曲線中任一點(diǎn)P到O1X1的距離為BP，到O1Z1的距離為AP，P在X1O1Z1坐標(biāo)系中坐標(biāo)值的計(jì)算公式為

X1=O1B=AP=AD+DP=CA'+DP

=O1A'sin（-10°）+A'P cos（-10°）

=Z'sin（-10°）+X'cos（-10°）

=16 t/360°sin（-10°）+1.5 sin t cos（-10°）

Z1=BP=O1A=O1C-AC=O1C-DA'

=O1A'cos（-10°）-A'P sin（-10°）

=Z'cos（-10°）-X'sin（-10°）

=16 t/360°cos（-10°）-1.5 sin t sin（-10°）

而數(shù)控加工時(shí)，以工件右端面中心點(diǎn)為原點(diǎn)，由圖1可知，正弦曲線起點(diǎn)O1在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為

X=40（直徑編程）

Z=16 cos(-10°)-20

=-4.243

故正弦曲線上任一點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為

X=2 X1+40（直徑編程）

=2[16 t/360°sin（-10°）+1.5sin t

cos（-10°）]+40

Z=Z1-4.243

=16 t/360°cos（-10°）-1.5 sin t sin（-10°）

-4.243

根據(jù)上述計(jì)算，編制旋轉(zhuǎn)正弦曲線的加工程序如下（FANUC 0i系統(tǒng)）：

O0011；（程序號(hào)）

T0202 G00 X100 Z100；（選擇2號(hào)刀，即外圓尖刀VBMT160404 HQTN60，快速定位在X100 Z100處）

M03 S900；（主軸正轉(zhuǎn)，900 r/min）

M08；（冷卻液開(kāi)）

G00 X52 Z2；（刀具快進(jìn)至 X52 Z2處）

G73 U5.5 W0 R5；（用G73指令進(jìn)行粗車循環(huán)）

G73 P1 Q3 U0.8 F0.12；（粗加工 N1—N3段程序，X方向留精車余量0.8 mm）

N1 G00 X40；（輪廓第一段程序）

G01 Z-3.5 F0.08；（直線插補(bǔ)至Z-3.5處）

#1=0（變量#1賦初值0，即起點(diǎn)處t=0°）

N2#2=1.5*SIN[#1]；[變量#2為正弦曲線在坐標(biāo)系X'O1Z'中的X'值（半徑）]

#3=16*#1/360；（變量#3為正弦曲線在坐標(biāo)系X'O1Z'中的 Z'值）

#4=#3*SIN[-10]+#2*COS[-10]；[變量 #4 為正弦曲線在坐標(biāo)系X1O1Z1中的X1值（半徑）]

#5=#3*COS[-10]-#2*SIN[-10]；（變量 #5 為正弦曲線在坐標(biāo)系X1O1Z1中的Z1值）

#6=2*#4+40；[變量#6為正弦曲線在工件坐標(biāo)系中的X值（直徑）]

#7=#5-4.243；（變量#7為正弦曲線在工件坐標(biāo)系中的Z值）

G01 X#6 Z#7 F0.08；（直線插補(bǔ)至 X#6 Z#7 處，用微小直線段逼近正弦曲線進(jìn)行加工）

#1=#1-1.8；（#1步距為1.8，即正弦曲線參數(shù)t值每循環(huán)一次減少1.8°）

IF[#1 GE-360]GOTO 2；（如果#1≥ -360時(shí)，則返回N2程序段，繼續(xù)循環(huán)；否則執(zhí)行后面程序段）

G01 W-4；（車切斷部位外圓）

N3 G00 X50;（輪廓最后一段程序）

G00 X55 Z5；（快速退刀至 X55 Z5處）

S1500；（主軸轉(zhuǎn)速 1500r/min）

G42 G00 X52 Z2；（刀具快進(jìn)至X52 Z2處，并用G42指令進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償）

G70 P1 Q3；（用G70指令精車N1—N3段程序確定的輪廓）

G40 G00 X100 Z100；（快速退刀至 X100 Z 100處，并用G40指令取消刀尖圓弧半徑補(bǔ)償）

M30；（程序結(jié)束）

外圓刀VBMT160404 HQ TN60的刀尖圓弧半徑為R0.4，在采用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)那闆r下，正弦曲線參數(shù)變量#1的步距取1.8，能保證比較高的擬合精度。

數(shù)控系統(tǒng)的G73等粗車循環(huán)指令不執(zhí)行G41、G42刀尖圓弧半徑補(bǔ)償（G70精車指令才執(zhí)行），故程序中精車余量不能過(guò)小，以免粗車過(guò)切而造成精車時(shí)正弦曲線與外圓刀副偏角對(duì)應(yīng)的一側(cè)無(wú)加工余量。這里余量取0.8 mm是比較合適的。

3 切斷取總長(zhǎng)及防碰傷

這個(gè)零件本身沒(méi)有合適的裝夾部位，且零件兩端面平行度公差為0.015 mm，在沒(méi)有軟卡爪或?qū)Ｓ脢A具的情況下，不宜采取車好一頭后調(diào)頭裝夾車另一頭的方法，所以采取切斷時(shí)取總長(zhǎng)的工藝，既保證精度，又提高效率。但本零件的總長(zhǎng)公差為0.04 mm，要求比較高，切斷刀Z軸方向的對(duì)刀和切斷程序的編制至關(guān)重要。由于取總長(zhǎng)是通過(guò)切斷刀右刀位點(diǎn)的切削來(lái)保證的，為了減小對(duì)刀和測(cè)量誤差，并避免Z軸反向間隙的影響，采取如下方法：

選取刀寬3 mm、刃口鋒利的切斷刀，準(zhǔn)備一個(gè)平面度較好（有一面即可）的墊塊。對(duì)刀時(shí)，一手將墊塊平面度較好的一面壓在工件右端面上，一手搖操作面板手輪，使切斷刀從Z軸的負(fù)方向往正方向移動(dòng)（消除反向間隙），右刀尖輕輕碰到墊塊左端面即停止（如圖3）。刀具在Z軸方向不動(dòng)，在刀偏中輸入“Z0”，按“測(cè)量”按鈕，即完成切斷刀Z軸方向的精確對(duì)刀。

圖3 對(duì)刀方法

切斷編程如下：

O0012；（程序號(hào)）

T0303 G00 X100 Z100；（選擇3號(hào)刀，即切斷刀，以右刀尖為刀位點(diǎn)，快速定位）

M03 S700；（主軸正轉(zhuǎn)，700 r/min）

M08；（冷卻液開(kāi)）

G00 X50 Z-20.5；（刀具快速移動(dòng)至X50 Z-20.5處）

Z-20；（刀具從Z-20.5往Z-20移動(dòng)，消除反向間隙）

G01 X23 F0.04；（切斷）

G00 X50；（快速退刀至 X50處）

X100 Z100；（快速退刀至 X100 Z100處）

M30；（程序結(jié)束）

程序中消除反向間隙很重要，刀具到達(dá)切斷位置前要從Z軸的負(fù)方向往正方向移動(dòng)（與對(duì)刀時(shí)的狀況一致）。

上述方法能保證工件比較高的總長(zhǎng)尺寸精度及兩端面平行度。

還要預(yù)防工件切斷后掉下來(lái)碰傷。一般情況下可事先在工件下方準(zhǔn)備一個(gè)塑料桶，或其他比較柔軟的盛具，工件落在其中就不會(huì)碰傷。

如果上述方法不便實(shí)施，還可采取如下措施：

（1）對(duì)于空心工件，可用一根較長(zhǎng)的塑料棒或木棒等插入工件空心處，工件切斷后主軸立即停轉(zhuǎn)（刀具先不要退出），工件被掛住就不會(huì)掉下來(lái)。

（2）對(duì)于實(shí)心工件，切斷刀切到工件斷口直徑還剩下Φ2.5 mm左右即停止進(jìn)給，主軸停轉(zhuǎn)（刀具先不要退出，以免劃傷工件端面），然后用手工把工件折斷。如果斷口直徑切得太小，則在進(jìn)給力、切削力和工件本身重力的作用下自動(dòng)斷裂，如果斷口直徑切得太大，則手工難以折斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述編程和加工方法，保證了旋轉(zhuǎn)正弦曲線的形狀精度，保證了總長(zhǎng)尺寸精度和平行度，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了工件碰傷現(xiàn)象。

[1]馮志剛.數(shù)控宏程序編程方法、技巧與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.