基于漸變非圓曲線輪廓零件的參數(shù)編程研究*

茍建峰，彭美武，盧萬強(qiáng)，王 強(qiáng)

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000：3.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

基于漸變非圓曲線輪廓零件的參數(shù)編程研究*

茍建峰1，2，彭美武2，盧萬強(qiáng)2，王 強(qiáng)3

（1.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065；2.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，四川德陽 618000：3.東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽 618000）

文章針對(duì)數(shù)控銑削中漸變非圓曲線零件輪廓復(fù)雜，編程困難（沒有現(xiàn)成指令可應(yīng)用，往往需要自動(dòng)編程，程序復(fù)雜）的問題。在分析漸變非圓曲線成型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用建立非圓曲線的數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)表達(dá)式，利用數(shù)控系統(tǒng)的用戶宏功能，開發(fā)出具有較高實(shí)用價(jià)值的漸變非圓曲線輪廓加工的參數(shù)程序。通過驗(yàn)證，該方法大大簡(jiǎn)化了程序，節(jié)省了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率和加工精度。在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

非圓曲線；參數(shù)編程；橢圓；加工

0 引言

數(shù)控鏜銑床、加工中心往往適合加工精度比較高，形狀復(fù)雜的零件?，F(xiàn)有一零件如圖1所示。該零件型腔部分的頂部是一個(gè)直徑為140㎜深度6㎜的圓形型腔，底部為一個(gè)長(zhǎng)半軸為50㎜，短半軸為30㎜，深度6㎜的橢圓型腔，中間是呈線性的過渡部分，也是加工的關(guān)鍵部分，需要在數(shù)控銑床或者加工中心上加工。而以往對(duì)這類漸變非圓曲線輪廓的加工一般采用CAD/CAM軟件自動(dòng)編程，而自動(dòng)編程需要建模，后處理生成數(shù)控程序，程序極為復(fù)雜，加工效率低。

本文針對(duì)上述問題在分析漸變非圓曲線成型特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用建立非圓曲線的數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)表達(dá)式，并利用數(shù)控系統(tǒng)提供的用戶宏功能分層對(duì)漸變非圓曲線輪廓進(jìn)行加工。并根據(jù)表面粗糙度要求準(zhǔn)確計(jì)算出分層等高加工時(shí)的切深。通過驗(yàn)證，該方法大大簡(jiǎn)化了程序，節(jié)省了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率和加工精度。在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖1 非圓曲線零件圖

1 數(shù)學(xué)模型的建立

該零件頂部的圓形型腔以及底部的橢圓型腔容易加工，一般我們采用立銑刀就可以實(shí)現(xiàn)。然而加工該零件最關(guān)鍵的部分是中間呈線性的過渡部分，編程困難，加工難度大。我們往往采用球頭銑刀并且利用參數(shù)編程分層銑削來實(shí)現(xiàn)。而加工中間部分的關(guān)鍵是確定過渡橢圓的方程，即找出在Z向的每一個(gè)截面上橢圓的長(zhǎng)、短軸。同時(shí)還要根據(jù)加工的精度要求來確定Z軸方向分層銑削時(shí)每次切削的深度。

1.1 過渡部分非圓曲線方程的確定

要確定過渡橢圓的方程，首先要確定在Z軸方向的每一個(gè)截面上橢圓的長(zhǎng)、短軸。將該零件沿分別沿長(zhǎng)軸和短軸剖開。圖2為零件沿長(zhǎng)、短軸剖視圖。圖2a為沿長(zhǎng)軸剖視圖，其中α表示線性化過渡部分與Z軸的夾角，h表示分層銑削時(shí)每次切削的深度。根據(jù)如圖2a所示的幾何位置關(guān)系，通過三角函數(shù)計(jì)算各尺寸如下：

圖2 零件沿長(zhǎng)、短軸剖視圖

其中BC為中間線性過渡部分的橢圓長(zhǎng)半軸之差，AB為中間線性過渡部分在Z軸方向的深度。

其中a1為當(dāng)在每次切深h后所形成的橢圓長(zhǎng)半軸增加或者減少的值。

同理，圖2b為沿短軸剖視圖，其中β表示線性化過渡部分與Z軸的夾角，h表示分層銑削時(shí)每次切削的深度。

其中FG為中間線性過渡部分的橢圓短半軸之差，AF為中間線性過渡部分在Z軸方向的深度。

其中b1為當(dāng)在每次切深h后所形成的橢圓短半軸增加或者減少的值。

由上式（1）、式（2）及原橢圓的方程可以得出新產(chǎn)生的橢圓的方程為：

1.2 分層銑削時(shí)每次切深的確定

在沿斜面方向分層銑削加工時(shí)，Z向下刀深度一般是由操作人員根據(jù)自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取，而這種加工精度往往很難保證。用球頭銑刀沿斜面Z向下刀時(shí)，相鄰兩次刀具軌跡之間往往都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)未加工的殘留區(qū)域，如圖3所示，而要加工表面的精度與未加工的殘留區(qū)域高度密切相關(guān)。即它的大小決定了要加工表面的表面粗糙度。所以在進(jìn)行程序編制時(shí)，必須根據(jù)加工表面的精度要求，由表面粗糙度合理計(jì)算出每次切深，嚴(yán)控殘留高度。

圖3 分層銑削示意圖

如圖3所示，AB為相鄰刀軌球頭銑刀球心距離，過渡斜面與水平面的夾角為α，相鄰刀軌切削過的殘留高度為CD，分層銑削時(shí)每次切深為h，如圖所示通過計(jì)算如下：

由圖3可知AD=BD=CE=R 即等于球頭銑刀的半徑。

由式（3）、（4）、（5）聯(lián)求的殘留高度的計(jì)算公式為：

該零件要求加工表面粗糙度為Ra3.2μm，過渡面與水平面的夾角為crctan2.2，約為66°，選用φ20mm的球頭銑刀進(jìn)行等高加工，根據(jù)數(shù)據(jù)代入殘留高度計(jì)算公式（6），

算出分層銑削時(shí)每次切深h約為1.46mm。

2 宏程序開發(fā)與實(shí)施

完成了該零件過渡部分漸變非圓曲線方程的確定，以及通過表面粗糙度計(jì)算得出的分層銑削時(shí)每次切削的深度值。然后逐層進(jìn)行非圓曲線加工，以順銑的方式單向完成切削加工。流程如圖4所示。選用FANUC0i系統(tǒng)進(jìn)行編程，宏程序如下：

圖4 宏程序開發(fā)流程圖

3 加工驗(yàn)證

完成宏程序的編制后，首先在仿真軟件中檢驗(yàn)程序的正確性，如圖5所示。然后選用KVC650機(jī)床進(jìn)行實(shí)際加工，完全達(dá)到零件的要求。與此同時(shí)，我們也用CAD/CAM軟件自動(dòng)編程加工，所有參數(shù)設(shè)置均與宏程序完全相同。結(jié)果兩種程序加工零件的質(zhì)量幾乎沒有差別，但宏程序從程序行數(shù)及字節(jié)數(shù)遠(yuǎn)小于CAD/CAM軟件自動(dòng)生成的程序，大大節(jié)約了走刀時(shí)間。在程序的通用性方面而言，當(dāng)過渡部分尺寸變化時(shí)，往往只需修改宏程序中相關(guān)變量的賦值即可。若采用自動(dòng)編程方式，從造型、產(chǎn)生刀路到生成程序、DNC程序傳輸，兩者的加工效率不可比擬［7］。如表1所示。因此在漸變非圓曲線輪廓加工中運(yùn)用宏程序非?？扇?。

圖5 CIMCO程序仿真

表1 SALBP方案2優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)論

通過利用宏程序完成對(duì)上述漸變非圓曲線零件的程序開發(fā)充分表明：①對(duì)漸變式非圓曲線采用變量宏程序編程和采用CAD/CAM軟件自動(dòng)編程相比較，變量宏程序可以大大簡(jiǎn)化程序，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能。節(jié)省加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。②也解決了以往在編程中每次切深由操作人員根據(jù)自己的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選取，加工精度很難保證的難題。③為其他非圓曲線的參數(shù)編程提供借鑒。在實(shí)際生產(chǎn)中有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］吳金會(huì)，劉越.基于宏程序的方形體斜角面銑削加工應(yīng)用研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（5）：64-96.

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［9］解海濱.數(shù)控加工技術(shù)實(shí)訓(xùn)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

（編輯 趙蓉）

Based on the Gradient Parameters of the Non-circular Curve Contour Parts Programming Research

GOU Jian-feng1，2，PENGMei-wu2，LUWan-qiang2，WANG Qiang3
（1.School of Manufacturing Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.Mechanical and Electronic Engineering Department，Sichuan Engineering Technical College，Deyang Sichuan 618000；3.Dongfang Turbine Co.，LTD，Deyang Sichuan 618000，China）

Nc milling china-africa circular curve parts contour complex，programming difficulty（no ready instructions can be used，often require automatic programming，program complex）.On the basis of analyzing the characteristics of the non-circular curve shape，put forward by establishing the mathematical model and deduce the expression of related parameters.Using the numerical control system of user macro，developed has high practical value of non-circular curve contour machining，the parameters of the program，and Through the verification，the method greatly simplifies the process，saves processing time，improve production efficiency and machining accuracy.Have certain application value in actual production.

the non-circular curve；parameter programming；the ellipse；processing

TH126；TG51

A

1001-2265（2015）04-0146-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.039

2014-08-01；

2014-09-07

德陽市2012年度重點(diǎn)科技計(jì)劃（科技支撐計(jì)劃、校企科技合作）項(xiàng)目（2012ZZ040-1）

茍建峰（1983—），男，陜西寶雞人，四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，技師，研究方向?yàn)閿?shù)控加工技術(shù)，（E-mail）gjf0423@163.com。