推力槽形凸輪零件的數(shù)控加工工藝及數(shù)值處理

王 鑫，郭建燁，于 超

(1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027;2.沈陽航空航天大學(xué)機電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

數(shù)控加工在現(xiàn)代機械制造業(yè)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。數(shù)控程序的編制是數(shù)控加工中的主要工作，程序編制的結(jié)果就是將加工過程中刀具的軌跡、工藝參數(shù)等信息用數(shù)控系統(tǒng)所能識別的代碼來表示，程序編制得正確與否將直接影響著數(shù)控加工的質(zhì)量。其中，數(shù)控加工的工藝及數(shù)值處理是程序編制的關(guān)鍵，合理的處理過程和結(jié)果是保證獲得正確數(shù)控程序的基礎(chǔ)［1－2］。本文以一種雙面推力槽形凸輪為研究對象，重點分析了該零件在進行數(shù)控加工時的工藝及數(shù)值處理過程，基于處理結(jié)果所編制出來的數(shù)控加工程序完全可以應(yīng)用于該零件的實際生產(chǎn)。

1 凸輪零件的設(shè)計結(jié)構(gòu)

本論文所研究的推力槽形凸輪屬于雙面結(jié)構(gòu)，它為油田采油設(shè)備上的專用零件，其材料為灰鑄鐵HT300，該零件的生產(chǎn)類型為小批量生產(chǎn)。凸輪零件的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要研究該凸輪零件在數(shù)控銑削凹槽時的工藝及數(shù)值處理過程，所以在進行數(shù)控加工之前，零件的其它表面均已加工完畢。

2 數(shù)控加工的工藝處理

數(shù)控加工工藝處理是編制數(shù)控程序首要解決的問題，它也是編制數(shù)控程序的依據(jù)。無論是采用手工編程方式還是自動編程方式，編程工作都要從工藝處理開始。工藝處理過程是否合理，將直接影響到數(shù)控加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率及加工成本［3］。在加工本文所研究的凸輪凹槽時，選擇在配有FANUC 0i-MA控制系統(tǒng)的VMC-1000立式加工中心上進行。下面就以加工第一面凹槽曲線輪廓為例，說明工藝處理過程主要完成的幾方面工作。

2.1 工件的安裝

由于數(shù)控機床是按照程序自動加工零件的，在機床空間內(nèi)刀具與零件之間總是存在一定的位置關(guān)系。為了保證二者處于正確的位置，要求每一個工件在夾具上的裝夾必須精確定位，加工中不允許變形，而且力求減少工件的裝卸時間［4］。根據(jù)數(shù)控加工的特點及對工件安裝的要求，確定此凸輪零件加工中采用專用夾具安裝工件，以第二面、孔Φ35+0.025mm(H7)和鍵槽作為定位基準(zhǔn)，并采用開口墊圈配合螺母夾緊的方式。

圖1 推力槽形凸輪零件圖

2.2 建立加工坐標(biāo)系

在建立加工坐標(biāo)系時，主要考慮加工坐標(biāo)系原點盡量與設(shè)計基準(zhǔn)重合，這樣便于進行數(shù)值計算［3］。由零件圖可知，孔 Φ35+0.025 mm 的中心為凹槽曲線的設(shè)計基準(zhǔn)，故將工件坐標(biāo)系原點O(X0，Y0，Z0)選在孔 Φ35+0.025mm 的中心線與凸輪第一面的交點處。這樣，可以根據(jù)夾具上的圓柱銷和定位平面，很容易找出加工坐標(biāo)系原點在機床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，然后將該值用MDI方式輸入到G55對應(yīng)的偏置寄存器中，在程序中直接調(diào)用G55命令即可建立該加工坐標(biāo)系。

2.3 確定刀具及工藝參數(shù)

數(shù)控加工對刀具材料的硬度與耐磨性、強度與韌性、耐熱性等方面有較高要求，應(yīng)根據(jù)工件材料的切削加工性、粗精加工要求及沖擊振動與熱處理等工況合理選用加工刀具。另外，還應(yīng)合理選用切削用量及斷屑槽形狀與尺寸等以保證零件的加工質(zhì)量［5］。

結(jié)合凸輪零件的實際情況，在加工中選用兩把Φ25mm六刃高速鋼立銑刀，分別用于粗加工、半精加工(T3)和精加工(T4)。為了保證順利加工出所要求的凹槽深度，先用Φ25mm鉆頭(T1)鉆出底孔，然后再用Φ25mm的鍵槽銑刀(T2)將孔底銑平。在進行粗加工(開槽)時分兩次走刀完成，以避免Z向吃刀過深;而在進行半精加工和精加工時一次走刀完成。粗加工與半精加工過程中可不必區(qū)分逆銑和順銑方式，但是為保證表面質(zhì)量在精加工過程中要采用順銑方式。具體的刀具選擇及工藝參數(shù)如表1所示。

表1 刀具選擇及工藝參數(shù)

2.4 確定走刀路線

走刀路線是指數(shù)控加工過程中刀位點相對于被加工工件的運動軌跡。走刀路線包括切削加工的路徑及刀具引入、返回等非切削空行程。確定走刀路線時，首先要考慮保證加工質(zhì)量，其次要使數(shù)值計算簡單，另外就是要使走刀路線盡量短［3，6－7］。

結(jié)合零件結(jié)構(gòu)圖1，編程軌跡為凹槽的中心線軌跡，凹槽的內(nèi)外側(cè)表面可通過設(shè)置刀具半徑補償?shù)男问郊庸こ鰜恚@樣可以大大提高編程效率并簡化編程過程。需要注意的是，本論文中所采用的機床只有在快進(G00)或直線進給(G01)過程中才能建立或撤銷刀補。在粗加工和半精加工過程中，鉆頭(T1)和鍵槽銑刀(T2)在P1點處加工出預(yù)制孔，然后立銑刀(T3)從此處下刀開始加工。根據(jù)表1確定的工藝參數(shù)，在進行刀具半徑左補償和右補償時，補償量都選為2.2 mm，并都為精加工留0.3 mm余量;在精加工過程中，為保證表面質(zhì)量都采用順銑的加工方式。根據(jù)前面工序加工的半徑補償量及加工余量值，此過程中的半徑補償量都選為2.5 mm。另外，為了避免在工件表面上留下刀具轉(zhuǎn)接痕跡，在刀具對凹槽銑削一周后要多走一段距離再離開加工表面。具體的走刀路線及加工過程如表2所示。

表2 走刀路線具體規(guī)劃

3 數(shù)控加工的數(shù)值處理

數(shù)控加工中數(shù)值處理的目的是計算出編制程序時要輸入的刀具加工軌跡坐標(biāo)值。本論文所研究的凸輪凹槽輪廓是由直線和圓弧直接構(gòu)成的曲線，插補過程中不涉及曲線的擬合，所以數(shù)值處理的主要任務(wù)就是計算出各個基點的坐標(biāo)值［8－9］。

對于本凸輪的凹槽加工軌跡，需要計算坐標(biāo)值的基點為 P1、P2、P3、PV4、TA1和 TA2，并且需計算過渡圓弧圓心O1和 O2的坐標(biāo)值，而數(shù)值處理的關(guān)鍵就是計算出TA1、TA2、O1和 O2的坐標(biāo)值?，F(xiàn)將求解TA1和O1的坐標(biāo)值及其過渡圓弧半徑值R1的計算過程介紹如下，依據(jù)此過程同樣可以求得TA2和O2的坐標(biāo)值。

首先根據(jù)凸輪零件結(jié)構(gòu)圖對加工軌跡進行輪廓分析?？梢钥吹?，圓弧P2P4的半徑為107 mm，圓弧P1P3的半徑為73 mm，它們的圓心坐標(biāo)都為O(X0，Y0);直線 P1TA1與圓弧 P1P3相切于 P1點，過渡圓弧P2TA1與圓弧P2P4相切于P2點，并與直線P1TA1相切于TA1點;同樣，直線P3TA2與圓弧P1P3相切于P3點，過渡圓弧P4TA2與圓弧P2P4相切于P4點，并與直線P3TA2相切于TA2點。因此，所加工的輪廓曲線是由四段圓弧和兩段直線構(gòu)成的。

設(shè)r1與α1分別為P1點的極徑和極角，r2與α2分別為 P2點的極徑和極角，則P1(X1，Y1)和P2(X2，Y2)的坐標(biāo)值分別為:

由于直線OP1的斜率為:k=Y1/X1，則與之垂直的切線P1TA1斜率為:k1=－X1/Y1，該切線的方程可表示為:

式中:a1=k1;b1= －1;c1=Y1-k1X1。

設(shè)O1點的坐標(biāo)為(x0，y0)，由于線段O1TA1垂直于線段P1TA1，且線段O1TA1的長度等于線段O1P2的長度，所以有下式成立:

又因為O1點在直線OP2上，設(shè)直線OP2的斜率為k2，則有下式成立:

根據(jù)式(3)與式(4)即可解得O1點的坐標(biāo)值(x0，y0)。

另外，直線O1TA1與直線OP1平行，則直線O1TA1的方程可表示為:

式中，b=y0－kx0。

根據(jù)式(2)與式(5)可得TA1點的坐標(biāo)值(x1，y1)，從而計算出過渡圓弧半徑R1。同理可計算出其它圓心和切點的坐標(biāo)值。在實際的數(shù)值處理中是通過編制一個專用程序來完成計算過程的，輸入值分別為 P1點的極徑 r1和極角 α1、P2點的極徑r2和極角α2，計算結(jié)果為過渡圓弧圓心坐標(biāo)值和切點(過渡圓弧起點)坐標(biāo)值。其程序界面如圖2所示［10］，計算結(jié)果如表3所示。

表1 第一面各基點的坐標(biāo)值

圖2 數(shù)值處理計算程序界面

4 數(shù)控程序的編制

根據(jù)已確定的加工步驟、走刀路線以及數(shù)值處理結(jié)果，按數(shù)控指令要求即可編制出數(shù)控加工程序。另外，由于加工過程中刀具在水平面內(nèi)沿編程軌跡要反復(fù)走刀，所以為了簡化編程并考慮到精加工時的順銑要求，可編制兩個子程序供主程序調(diào)用。第一個子程序為順圓子程序，刀具路徑可規(guī)劃為:TA1→P2→P4→TA2→P3→P1;第二個子程序為逆圓子程序，刀具路徑可規(guī)劃為:P1→P3→TA2→P4→P2→TA1。具體的數(shù)控程序內(nèi)容不再贅述。

根據(jù)前面所得的結(jié)論，在確定相應(yīng)的刀具、切削用量、機床、夾具、工件材料及坯料后，可以對此凸輪零件進行數(shù)控加工仿真分析，仿真所得的刀具軌跡及凸輪第一面的加工結(jié)果如圖3所示。

圖3 零件數(shù)控加工仿真圖

5 結(jié)論

主要研究了一種雙面推力槽形凸輪的數(shù)控加工工藝及數(shù)值處理過程。在工藝處理中，針對具體的加工中心確定了工件的安裝方式和定位基準(zhǔn)、加工坐標(biāo)系以及切削刀具和相關(guān)工藝參數(shù)等內(nèi)容，并根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和加工要求確定了合理的走刀路線，從而為零件的數(shù)控加工奠定了工藝基礎(chǔ)。在數(shù)值處理中，以第一面的加工過程為例，說明了計算凸輪凹槽編程軌跡基點坐標(biāo)的過程，并通過采用專門編制的運算程序完成了所有基點坐標(biāo)的計算，從而為加工程序的正確編制提供了數(shù)據(jù)來源。本論文的研究結(jié)果為相似凸輪類零件的數(shù)控加工提供了理論依據(jù)，并在制定各種凸輪類零件數(shù)控加工工藝方面具有一定的實際參考價值。

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