圓柱體側(cè)孔相貫線倒角宏程序

■德州聯(lián)合石油機械有限公司（山東 253034）侯祖剛 白廣遼

機械加工中，經(jīng)常會遇到圓柱體表面沿圓周分布的側(cè)孔，孔口呈相貫線形狀，為了便于裝配和操作安全，一般要進行倒角或圓角過渡處理。圓柱體側(cè)孔相貫線倒角，至今沒有成熟的切削加工方法。工人師傅一般采用手工修磨倒鈍的方法，效率低，精度也沒有保證。本人通過實踐和摸索，歸納總結(jié)了相貫線的幾何性質(zhì)和特征規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，編制了倒角宏程序，利用數(shù)控銑床曲面加工優(yōu)勢，順利完成相貫線倒角的銑削加工。技術(shù)交流，希望對大家有所幫助。

1.加工方案

國外的一批零件（見圖1），圓柱體上分布有兩個正交的側(cè)孔。圖樣要求孔口保留3 mm×45°倒角和R5 mm圓角，用戶要求特別苛刻，每一個加工環(huán)節(jié)，都嚴(yán)格按圖樣檢驗。相貫線倒角一度成為制約生產(chǎn)的瓶頸，靠手工打磨拋光的方法明顯達(dá)不到圖樣要求。工藝人員第一時間想到的加工方案就是利用數(shù)控設(shè)備銑削倒角，從理論上講，圓柱體側(cè)孔相貫線是一圈有規(guī)律的空間三維曲線，三軸聯(lián)動的數(shù)控銑床或者加工中心完全可以加工?，F(xiàn)實情況是公司現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)都不具備相貫線插補功能，自動編程需要正版的CAM軟件和專用的后處理模塊，少則十幾萬元的費用，企業(yè)一次性投資太大。從生產(chǎn)實際出發(fā)，充分利用FANUC系統(tǒng)內(nèi)置的宏程序功能，完成相貫線倒角的描述和定義，是手工編程的關(guān)鍵。

2.編程思路

圖1 零件立體圖

圖2 側(cè)孔相貫線編程示意圖

由工件三視圖（見圖2）可以看出，圓柱體側(cè)孔相貫線為前后左右對稱的封閉空間曲線，相貫線的投影在XY平面是一個完整的內(nèi)孔圓，在YZ平面是一段高低起伏的橢圓弧曲線，兩者結(jié)合，很難用簡捷的數(shù)學(xué)方程式來表達(dá)，即使設(shè)計人員繪圖時也要采用描點連線的近似畫法，相貫線倒角，的確不是一件容易的事。我們可以借助計算機繪圖軟件。將相貫線轉(zhuǎn)化為不同視角的圖形，引導(dǎo)啟發(fā)編程員的創(chuàng)新思維和破解能力。編程的第一步是尋找突破口，正確定義相貫線的輪廓路徑。靜下心來，站在數(shù)控加工的角度重新審視相貫線的幾何特征，逐一分析，各個擊破，會發(fā)現(xiàn)事情并沒有想象中的那么復(fù)雜。編程的難點，并不在于相貫線的曲率公式和計算方法，而在于編程者如何對加工路徑進行合理的認(rèn)識和分解。本例中宏程序的編程思路，是以XY平面的側(cè)孔圓角度為單位，將相貫線等分成120段三維線段，以變量控制數(shù)控機床的三個坐標(biāo)軸沿三維線段移動，對變量賦值并設(shè)置相互之間的參數(shù)方程和邏輯關(guān)系，這樣就完成了宏程序的主題和框架，仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)相貫線上每一點所對應(yīng)的坐標(biāo)位置都有著必然的聯(lián)系，根據(jù)相貫線的投影特征，刀具在XY平面按圓弧插補編程，以側(cè)孔圓起始角度為自變量，每增加3°，移動一個R25 mm圓弧線段，圓弧終點隨著起始角度的遞增不斷變化，最終描述出一條φ50 mm的整圓軌跡。在右側(cè)YZ截面視圖中，X軸與圓柱體軸線重合，Z軸與Y軸保持唯一的函數(shù)關(guān)系，編程中可以根據(jù)圓柱體半徑和Y軸變量值，運用勾股定理幾何公式，計算出相貫線上任意一點的Z向坐標(biāo)值。XY平面的圓弧進給與Z軸聯(lián)動，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的螺旋線段插補，120段螺旋線段首尾相連，循序漸進，即可完成相貫線路徑的編制。

3.3 mm×45°倒角宏程序

45°倒角有專用的成形銑刀，倒角時利用刀具的45°側(cè)刃，以“線接觸”的切削方式銑削倒角，編程員只需定義倒角深度和相貫線的輪廓路徑，輸出一圈的加工軌跡即可。實際加工時操作者以靠近相貫線的刀尖為對刀基準(zhǔn)，視情況調(diào)整刀具的補償值即可控制倒角尺寸的大小。下面程序以圓柱體軸線和側(cè)孔中心為G54加工坐標(biāo)系零點，選用φ20 mm倒角立銑刀，以軸向刀尖為刀位點，沿相貫線輪廓加工倒角（見圖3）。

變量設(shè)置：#1=0（側(cè)孔圓起始角度值），#2=3 （角度步進值），#3=3 (倒角尺寸)，#18=25(側(cè)孔半徑值)，#19=50 (圓柱體半徑值)。

4.R5mm圓角宏程序

與45°倒角相比，倒圓角的難度更大，很難找到專用的刀具。只能借用合適的球頭銑刀進行三維銑削，編程思路是將YZ平面的R5mm圓角，按圓心角度等分為45份，按照球刀切削刃與圓角保持“切點接觸”的加工方式，自下而上分層銑削，每層以切削點的起始角度為自變量，控制球刀中心編程軌跡，偏離相貫線輪廓一定的距離。隨著起始角度的增加，球刀沿不同的相貫線輪廓逐層銑削，用曲線編織曲面的原理擬合圓角，編程時必須將圓角過渡和相貫線輪廓聯(lián)系在一起綜合分析，疊加相關(guān)的變量，重新確定變量之間的函數(shù)關(guān)系和數(shù)學(xué)方程式。下面程序以圓柱體軸線和側(cè)孔中心為G55加工坐標(biāo)系零點，選用φ10 mm球頭立銑刀，以球心為刀位點，直接按刀具中心軌跡編程，沿相線輪廓銑削R5mm圓角（見圖4）。

變量設(shè)置：#1=0（XY平面相貫線起始角度值），#2=3（相貫線角度步進值），#3=5 (孔口圓角半徑值)，#7=5 (球頭銑刀半徑值)，#11=0（YZ平面R5mm圓角起始角度值），#12=2 (R5mm圓角分層銑削角度步進值），#18=25 (側(cè)孔半徑值）#19=50 (圓柱體半徑值)。

圖3 倒角編程示意圖

圖4 圓角編程示意圖

5.加工誤差分析

本例中宏程序以120份螺旋線段定義圓柱體側(cè)孔相貫線軌跡，刀具在XY平面以R25 mm圓弧擬合ф50 mm整圓，不存在輪廓誤差，在YZ平面以正余弦曲線擬合橢圓曲線，誤差均布在等分線段內(nèi)，對倒角尺寸的影響很小，完全可以滿足加工要求。圓角曲面加工中，球頭銑刀最大的特點就是圓滑過渡，根據(jù)曲線擬合曲面的經(jīng)驗，使用和圓角半徑相近的球頭銑刀，可以最大限度地減小刀痕，銑削過程中選擇合適的切削用量和進退刀方式，兼顧加工效率，即可以獲得很好的表面粗糙度值。

6.結(jié)語

通過程序模擬和加工驗證，圓柱體側(cè)孔相貫線倒角取得了很好的加工效果，形狀精度和倒角尺寸基本上符合圖樣要求，得到了用戶的認(rèn)可。與軟件編程相比，本例中宏程序的最大優(yōu)勢在于隨機應(yīng)變，打破直線段擬合曲線的傳統(tǒng)觀念，靈活運用螺旋線段擬合相貫線輪廓，將誤差控制在最小的范圍內(nèi)，具有很高的實用價值。當(dāng)工件尺寸和刀具規(guī)格改變時，只需更改相應(yīng)的變量值，即可達(dá)到通用的目的。內(nèi)孔相貫線倒角方法與之大體相同，需要專用的T形刀具，編程難度更大一些，以后再做詳述。

[1]黃道業(yè).數(shù)控銑床（加工中心）編程、操作及實訓(xùn)[M].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[2]王愛玲，等.現(xiàn)代數(shù)控機床實用操作技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[3]馮志剛.數(shù)控宏程序編程方法、技巧與實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[4]陳海舟.數(shù)控銑削宏程序及應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.