數(shù)控車床加工大圓弧的方法研究

侯巖濱

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125005）

0 前 言

數(shù)控車床廣泛用于回轉(zhuǎn)曲面、圓弧面、多臺階軸等工件的加工[1]. 數(shù)控車床與普通車床相比在加工復(fù)雜零件，特別是由圓弧或非圓曲線構(gòu)成的工件時(shí)，非常方便，而且具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，零件的加工精度也很高，產(chǎn)品的生產(chǎn)率也隨之增強(qiáng)，同時(shí)對于大型的復(fù)雜型面的加工也更加方便快捷. 由于科技不斷發(fā)展，要求配套的產(chǎn)品也更加復(fù)雜化，其形狀也越來越復(fù)雜，精度要求也越來越高，與普通機(jī)床相比，數(shù)控車床無疑占據(jù)了絕對的優(yōu)勢. 數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)率和精度方面遠(yuǎn)好于一般機(jī)床[2-3]，尤其是圓弧加工就更加的體現(xiàn)了數(shù)控車床的優(yōu)點(diǎn). 但是在操控技術(shù)上給我們提出更高的要求，尤其在實(shí)際加工大圓弧時(shí)，如果加工工藝的選擇不合理或缺少合適數(shù)控程序的話，往往給加工帶來誤差. 實(shí)際研究表明，合理的刀具的選用、工藝的分析、程序編制都會提高其加工的精度.

1 數(shù)控車削的刀具的合理選用對于大直徑圓弧的加工有重大的影響

1）數(shù)控車削常用的車刀

數(shù)控刀[4]具要求很強(qiáng)的切削能力，同時(shí)具備良好的精度、足夠的剛性，既要裝夾調(diào)整方便，也要耐用度高.

在尖形車刀、圓弧形車刀這兩種刀具中，數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行圓弧加工中多采用的是尖形車刀。不僅是精車采用，在一般的零件的圓弧粗加工時(shí)都可選用. 數(shù)控機(jī)床在選用尖形車刀進(jìn)行零件加工時(shí)，不僅要注意到尖形車刀的強(qiáng)度，還應(yīng)考慮車刀刀具的主、副偏角的大小，以避免加工零件時(shí)車刀產(chǎn)生加工干涉. 如果產(chǎn)生干涉，就會影響加工精度. 但是，在大圓弧的加工中，使用圓弧形車刀進(jìn)行的車削效果就比尖形車刀好. 但加工時(shí)需要注意的是，圓弧形車刀的刀刃形狀必須是線輪廓度或圓度誤差很小的圓弧.

2） 數(shù)控加工大圓弧時(shí)減小刀具刀尖圓弧半徑對加工的影響

雖然尖形車刀的刀尖刃磨成一定半徑的圓弧過渡刃可提高刀尖的強(qiáng)度， 并對提高工件的表面品質(zhì)有益. 但由于刀尖圓弧半徑的存在，使得刀具運(yùn)行軌跡與被加工零件的表面形狀產(chǎn)生一定的差異[5]，由此會引起被加工零件的徑向和軸向尺寸誤差，從而影響零件的加工精度. 因被加工零件的表面形狀各不相同，所以產(chǎn)生的問題也各不相同. 因此，在精加工圓弧時(shí)必須盡可能的控制其刀尖圓弧半徑的大小及其圓度誤差，然后通過計(jì)算刀具的修正值給予修正. 而計(jì)算刀具的修正值和控制刀刃的圓度誤差是比較困難的事情，故精加工時(shí)常采用盡可能小的刀尖圓弧半徑，以彌補(bǔ)圓弧半徑對精加工產(chǎn)生的影響.

3） 加工大圓弧時(shí)刀尖中心高誤差對車削加工的影響

在任何情況下加工零件表面時(shí)，都應(yīng)盡量減小刀尖中心高誤差，因?yàn)榈都庵行母邥绊戃囅骷庸ぞ? 為了改善刀尖中心高誤差對車削加工的影響，可采用如下的方法來進(jìn)一步消除刀尖中心高誤差的影響:應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化車刀或?qū)ｉT刃磨后的車刀，如刀尖等高的方刀體及不重磨車刀等，還可采用斜面錯(cuò)齒可調(diào)墊塊或平行的標(biāo)準(zhǔn)墊片進(jìn)行調(diào)整等.

2 加工大直徑圓弧的數(shù)控車削的工藝方法

1）車錐法

先車圓錐，切掉過多的余量，最后一刀走圓弧的路線切削圓弧從而成型.

2）圓弧層次切削法

（1）保持圓弧始點(diǎn)、終點(diǎn)均處于不變位置，只改變半徑R. 在零件加工一個(gè)凸圓弧， 如圖1 所示.其KJ 段的加工是采用過兩點(diǎn)作圓弧， 半徑越小曲率越大的原則進(jìn)行處理. 因此在切削凸圓弧時(shí)，可以固定始點(diǎn)和終點(diǎn)， 通過把半徑R 由小逐漸變大至規(guī)定尺寸進(jìn)行加工. 但要注意，圓弧半徑最小不得小于成品圓弧弦長的一半.

（2） 改變圓弧始點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)，但保證半徑R不變. 在零件上要加工一個(gè)凹圓弧AB 段， 如圖1所示. 此時(shí)，為了合理分配車刀的吃刀量，進(jìn)一步保證加工質(zhì)量，就需要采用等半徑圓弧遞進(jìn)切削.

（3） 對圓弧始點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行改變，同時(shí)，也使半徑R 產(chǎn)生相應(yīng)的變化.

圖1 圓弧層次切削

在零件右端加工一個(gè)半球，如圖1 所示. 為了保證加工精度，在該種情況下，走刀軌跡的半徑R必須要等于上次走刀半徑R 與Z（或X）方向的變化量ΔZ（ΔX）之差.

3 數(shù)控車床在加工大圓弧時(shí)其程序的編制方法

程序的編制，對于數(shù)控加工尤為重要. 但由于每個(gè)人的加工方法不盡相同，其編制加工程序也會因此而不同，但只要能有效的提高數(shù)控車床的生產(chǎn)效率，保證加工零件的精度. 那么此程序就是好的程序. 如何使程序更加合理？ 選擇合理的加工路線尤為重要.

1）分析零件圖樣、進(jìn)行數(shù)學(xué)處理

（1）標(biāo)注尺寸換算. 將圖樣上的尺寸基準(zhǔn)、尺寸換算為編程坐標(biāo)系中的尺寸，再進(jìn)行下一步數(shù)學(xué)處理. 分析加工輪廓的幾何條件：主要目的是針對圖樣上不清楚尺寸及封閉的尺寸鏈進(jìn)行處理.

（2） 尺寸鏈解算. 弄清重要尺寸的允許變動量，通過解尺寸鏈達(dá)到.

（3） 基點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的計(jì)算. 基點(diǎn)的計(jì)算暴扣每條運(yùn)動軌跡的起點(diǎn)或終點(diǎn)在選用坐標(biāo)系中的各坐標(biāo)值和圓弧運(yùn)動軌跡的圓心坐標(biāo)值. 節(jié)點(diǎn)計(jì)算由計(jì)算機(jī)完成[6-7].

2）合理確定加工大圓弧的走刀路線

合理的確定走刀路線是數(shù)控加工程序編制的重點(diǎn)[8]. 在加工大圓弧時(shí)也是如此，由于精加工切削程序走刀路線基本上都是沿其零件輪廓順序進(jìn)行的，所以可以按照圓弧走刀. 粗加工時(shí)的走刀路線確定及空行程的走刀路線確定需要重點(diǎn)考慮.加工路線是指刀具從對刀點(diǎn)開始運(yùn)動起，直到返回該點(diǎn)并結(jié)束加工程序所經(jīng)過的路徑，包括切削加工的路徑及刀具引入、切出等非切削空行程. 保證走刀路線最短可以節(jié)省整個(gè)加工過程的工作時(shí)間，還能減少一些刀具磨損及機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)滑動部件的消耗. 具體方法有：

（1）階梯法. 如圖2（b）所示，車削大余量工件的兩種路線按1-5 的順序切削，每次切削所留余量相等，是正確的階梯切削路線.

（2） 雙向法. 根據(jù)數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)，如圖2（c）還可以采用依次從軸向和徑向進(jìn)給，順零件毛坯輪廓切削進(jìn)給路線.

圖2 走刀路線

（3）特殊法. 當(dāng)采用尖形車刀加工大直徑圓弧內(nèi)表面零件時(shí)，安排兩種不同的進(jìn)給方法，其結(jié)果不一樣，圖3（a）所示因切削時(shí)尖形車刀的主偏角為100°～105°， 這時(shí)切削力在X 方向的較大分力F將沿著圖3（a）所示的正X 方向作用. 當(dāng)尖刀運(yùn)動到圓弧的換象限處，即由負(fù)Z、負(fù)X 向負(fù)Z、正X 變換時(shí)，吃刀抗力FP與傳動橫滑板的傳動力方向由原來相反變?yōu)橄嗤?若螺旋副間有機(jī)械傳動間隙的，就有可能扎刀，如圖3（c）所示. 對于圖3（b）所示的第二種進(jìn)給方法， 因?yàn)榧獾哆\(yùn)動到圓弧的換象限處，即由負(fù)Z、負(fù)X 向正X、正Z 變換時(shí)，吃刀抗力FP與絲杠傳動橫滑板的傳動力方向相反，不會出現(xiàn)嵌刀現(xiàn)象. 所以圖3（d）的進(jìn)刀方案較為合理[9-10].

3）加工大圓弧時(shí)，合理調(diào)用G 命令可以使程序段最少

圖3 尖形車刀的進(jìn)給

構(gòu)成加工程序的各條程序即為程序段[11]，程序段的含義是指按照每個(gè)單獨(dú)的幾何要素 （即直線、斜線和圓弧等）分別編制出相應(yīng)的加工程序，用最少的程序段數(shù)實(shí)現(xiàn)對零件的加工，提高編程工作的效率，減少出錯(cuò)的幾率，從而達(dá)到優(yōu)化程序的目的.程序段減少，但必須要兼顧走刀路線最短. 這是因?yàn)閿?shù)控車床裝置普遍具有直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算的功能，除了非圓弧曲線外，程序可以由構(gòu)成零件的幾何要素及由工藝路線確定的各條程序得到.

4 結(jié) 論

實(shí)際加工大圓弧時(shí)，由于圓弧尺寸較大，給加工帶來了諸多困難，如果加工不合理，會造成生產(chǎn)率低，精度也低的問題[12-13]. 為了改變此狀況，就要從上述幾個(gè)方面考慮： 合理的選用圓弧形車刀、采用車錐法及圓弧層次切削法的加工工藝、合理的編制程序. 這樣才會減少誤差，提高生產(chǎn)率.

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