變幅桿解析型曲面的數(shù)控車削編程方法研究

侯志利，秦慧斌，武文革

HOU Zhi-li1,2，QIN Hui-bin1，WU Wen-ge1

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.山西職業(yè)技術學院 數(shù)控系，太原 030006)

0 引言

超聲變幅桿是超聲加工工藝系統(tǒng)的核心零件，變幅桿將機械振動位移放大、聚能，并且作為機械阻抗的變換器，使超聲能量由超聲換能器更有效地向負載傳輸，其性能直接影響著整個工藝系統(tǒng)性能的優(yōu)劣[1]。

變幅桿的截面半徑按特定的解析型曲線沿軸線方向變化，對加工制造提出較高的要求，而目前變幅桿的加工存在加工精度與加工效率不高的問題。本文以懸鏈線型變幅桿為例，研究了變幅桿回轉曲面的數(shù)控編程方法，對提高加工零件的表面質量及推廣應用超聲振動加工技術具有一定的意義。

1 變幅桿解析型曲面的數(shù)控編程方法

變幅桿的數(shù)控編程以數(shù)控車削編程為主，分為手工編程和CAD/CAM軟件編程兩種。這兩種編程方法以采用直線擬合逼近曲線的方法為主，手工編程采用粗車循環(huán)指令和宏程序結合的編程方法，代碼較為簡單，而CAD/CAM軟件編程通過軟件后處理自動生成程序代碼，代碼相對冗長。

圖1 零件的數(shù)控編程一般過程

零件的數(shù)控編程一般過程如圖1所示。其中，確定加工工藝方案是數(shù)控編程的前提與基礎，加工工藝方案具有不唯一性，在一定程度上講，加工工藝方案決定了加工走刀路線的繁簡與零件加工質量的優(yōu)劣；手工編程的數(shù)學處理，即計算走刀軌跡及公差數(shù)值處理是編寫程序代碼的關鍵，準確的數(shù)值計算可以保證零件的加工外形尺寸。

綜合文獻[2-5]及圖1分析，變幅桿解析型回轉曲面的手工編程方法可以采用伸縮步長法擬合非圓曲線計算控制誤差，并使用粗車循環(huán)指令G73與宏程序相結合的編程方法，算法簡單實用，程序易于修改，可以重復加工同類不同尺寸的零件，能生成系列化配置的指數(shù)型、懸鏈線型變幅桿的數(shù)控代碼，提高變型變幅桿的數(shù)控編程效率。

此外，也可以利用MasterCAM軟件的車削編程模塊讀取變幅桿解析型回轉曲面母線的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)盡可能保持小步距密集化，后處理生成精加工程序段，使用粗車循環(huán)指令G73和精車循環(huán)指令G70編制程序。此種方法，可以省略數(shù)學處理的手工過程，簡化程序，實現(xiàn)變幅桿曲面的數(shù)控編程與加工。實踐加工證明，這兩種數(shù)控編程方法均可行準確。

2 變幅桿的加工工藝分析與解析型曲面的數(shù)控程序編制

2.1 變幅桿的加工工藝分析

圖2 懸鏈線型變幅桿的零件圖

以懸鏈線型變幅桿（如圖2所示）為例，此零件主要有端面、內螺紋、退刀槽、外螺紋、解析型母線回轉曲面等加工特征，毛坯材料為45鋼，其中解析型母線回轉曲面是變幅桿重要的曲面特征，它是變幅桿聲波傳遞、振幅放大的關鍵。選用FTC-20數(shù)控車床加工，“一夾一頂”裝夾方式（即三爪自定心卡盤裝夾和回轉頂尖支頂），以及通用刀具和量具。其加工過程為：

1）下料：毛坯棒料Φ90 mm×150mm；

2）車右端面、鉆中心孔及M8×1底孔；

3）車左端面至總長、車退刀槽、車外螺紋M18×1.5；

4）粗、精車懸鏈線型回轉曲面；

5）車內螺紋M8×1。

懸鏈線型回轉曲面精加工走刀軌跡如圖3所示。

圖3 懸鏈線型回轉曲面精加工走刀軌跡

2.2 變幅桿解析型曲面的數(shù)控程序編制

以懸鏈線型變幅桿為例，采用宏程序編程方法，可以節(jié)約FUNUC數(shù)控系統(tǒng)內存空間，簡化數(shù)控程序。宏程序分為A類和B類宏程序，由于B類宏程序表達式為語句式[6]，表達直觀，故采用B類宏程序與粗車循環(huán)指令G73結合的編程方法。

首先建立如圖2所示的編程坐標系XOZ，編程原點設在右端面中心軸線上。

懸鏈線型變幅桿曲面的數(shù)學處理過程如下：

1）轉化曲線方程：懸鏈線型方程為y=7.5(e0.0134x+e-0.0134x)，轉化為數(shù)控車削XOZ坐標系下的曲線方程，即x=7.5(e0.0134z+e-0.0134z)。

2）寫宏程序語句表達式：將方程x=7.5(e0.0134z+e-0.0134z)寫為x=7.5×[E X P[0.0134x]+EXP [-0.0134x]]。

3）選定變量并確定變量范圍：z為自變量#1，x為因變量#2，z的變化范圍為-128.5≤z≤0。

懸鏈線型變幅桿曲面的數(shù)控程序編制如下：

3 懸鏈線型變幅桿的加工與驗證分析

將上述懸鏈線型變幅桿數(shù)控代碼輸入圖4所示FTC-20數(shù)控車床進行數(shù)控加工，其系列配置的三個懸鏈線型變幅桿零件加工實例如圖5所示。

為了驗證變幅桿橫向截面大小對縱向振動的影響，根據(jù)實驗室的YP-5520-4Z柱型超聲波換能器，將已加工的懸鏈線型變幅桿分別連接在諧振系統(tǒng)中相應的位置，經(jīng)諧振特性測試檢驗后，其實驗頻率與設計頻率數(shù)據(jù)一致，性能穩(wěn)定可靠。由此證明，變幅桿的數(shù)控編程方法和數(shù)控加工方法可行準確。

4 結束語

本文以懸鏈線型變幅桿的解析型回轉曲面為例，采用宏程序對其回轉曲面進行數(shù)控車削編程，通過數(shù)控加工后，經(jīng)諧振特性和超聲加工實驗，驗證了采用的數(shù)控編程方法對同類型相似零件的數(shù)控編程及加工有效快捷，提高了超聲變幅桿的數(shù)控編程效率和加工質量，有助于推廣超聲變幅桿的加工技術。

圖4 FTC-20數(shù)控車床

圖5 懸鏈線型變幅桿加工實例

[1]秦慧斌,呂明,王時英,李向鵬.三維振動里茲法在變幅桿諧振特性分析中的應用研究[J].振動與沖擊,2012,31(18):163-168.

[2]陽夏冰.采用數(shù)控宏程序解決非圓曲線類零件的加工[J].制造業(yè)自動化,2012,9(34):44-46.

[3]孫祥國.伸縮步長法擬合非圓曲線節(jié)點計算及數(shù)控編程[J].制造業(yè)自動化,2012,34(7):85-87.

[4]王西建,冀勉.宏程序在非圓曲線輪廓車削加工中的應用[J].組合機床與自動化加工技術.2013,7:110-114.

[5]朱虹,王立軍,楊海.基于圓弧擬合的非圓二次曲線加工技術研究[J].機械設計與制造.2012,12:227-229.

[6]沈春根,徐曉翔,劉義.數(shù)控車宏程序編程實例精講[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.