基于等殘留高度的球形曲面的數(shù)控加工*

西慶坤

(四川工程職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，四川 德陽　618000)

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基于等殘留高度的球形曲面的數(shù)控加工*

西慶坤

(四川工程職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，四川 德陽618000)

摘要：在對球頭銑刀精加工球形曲面的殘留高度研究的基礎(chǔ)上，同時分析了殘留高度與表面粗糙度之間的關(guān)系，根據(jù)殘留高度計算了球頭銑刀步進角的大小。通過控制步進角完成曲面加工，達到有效控制球形曲面在手工編程中的殘留高度，以滿足零件表面粗糙度的要求。以半球曲面為例，基于等殘留高度進行球形曲面精加工數(shù)控宏程序的設(shè)計，同時采用連續(xù)進給編程的方法，有效保證了零件的加工質(zhì)量，提高了加工效率，為球面數(shù)控加工的設(shè)計提供了編程方法與策略。

關(guān)鍵詞：等殘留高度；表面粗糙度；連續(xù)進給；球形曲面；數(shù)控加工

0引言

球形曲面是最基本的曲面之一，如球面閥、滾珠和相應(yīng)的球面槽等零件都有這樣的輪廓。而球面的加工既要保證精度和表面粗糙度要求，又要經(jīng)濟合理，因此合理的確定走刀路線非常重要，而在實際的生產(chǎn)過程中，操作者常是根據(jù)經(jīng)驗或試加工來確定步長保證零件的加工精度。因此，合理的確定走刀步長是曲面加工中要解決的一個重要問題。很多學者在自由曲面的加工中對步長的控制提出各種算法，如參數(shù)線加工方法、截面線加工方法、導動面法等[1]。其中的一種算法為等殘留高度[2-3]，而在這些算法都是通過編程軟件來生成刀具的路徑，然后自動生成數(shù)控加工程序，對編程者的軟件操作和數(shù)學知識要求較高。因此本文探索利用三坐標銑床加工球面，用手工編程來實現(xiàn)基于等殘留高度的球面宏程序的編制方法。為有效的保證球形曲面類零件的加工質(zhì)量和提高加工效率，具有重要的實際意義。

1球形曲面殘留高度的計算

本文研究球頭銑刀精加工球形曲面時殘留高度的大小，如圖1所示，球面半徑為R，球頭刀半徑為r，當采用等角度加工時，刀具切削一圈，加工弧長遞增圓心角為θ，則H即為殘留高度值。

圖1　球形曲面加工中殘留高度計算示意圖

由圖1可知：殘留高度H即為圖中CE，

CE=DE-CD

而

(1)

在△ACD中

(2)

所以

(3)

由上式可知，當球形曲面半徑R確定時，加工的殘留高度由球頭刀半徑r和步進角θ決定。因此要合理的選擇球頭刀半徑r和步進角θ的大小，保證零件加工殘留高度在精度范圍內(nèi)。

另外殘留高度受球頭銑刀刀具行間相位差影響也較大[4]，相位差由刀具的齒數(shù)和每齒進給量決定。而在刀具齒數(shù)選定的情況下，在如圖1的球形曲面加工中，進給量的控制要求也是一個變化的值，給編程帶來一定的難度。

那么在選定刀具的情況下，步進角的控制就直接影響零件加工的殘留高度。所以，在殘留高度確定的情況下，如何選擇步進角的大小至關(guān)重要。

由式(3)可推導求得：

(4)

上式即為根據(jù)殘留高度確定步進角的公式。

2表面粗糙度和殘留高度的關(guān)系

影響表面粗糙度的因素可以分成為幾何因素和非幾何因素。幾何因素主要包括：刀具半徑R、刀具每轉(zhuǎn)進給量、行間距S等。影響粗糙度的非幾何因素包括：積屑瘤、鱗刺、振動、切削刃的刃磨質(zhì)量、工件材料組織的缺陷、切削液的使用情況等。在精加工時，非幾何因素影響較小，可忽略不計，而幾何因素是影響精加工表面粗糙度的主要因素[5]。

殘留高度是指刀具兩行間的殘留量。在幾何因素中，銑削殘留高度決定了銑削表面粗糙度的大小。在精加工時，因此一般通過控制銑削殘留高度的大小來控制表面粗糙度，從而控制零件表面加工質(zhì)量。

3加工示例

本示例以簡單的半球曲面精加工為例，如圖2所示。刀具采用φ8球頭銑刀，用殘留高度控制刀具的進給路徑，以達到在滿足加工精度的前提下減小走刀路線。

圖2　半球曲面示例

3.1加工方法

用三坐標機床加工曲面屬于近似加工，常用的加工方法有等高線編程方法，而等高線加工存在加工路線長，空行程多，在停刀處有駐刀痕等問題?，F(xiàn)在比較高效、高精度的數(shù)控走刀方式應(yīng)該是螺旋式走刀方式[6]，進行連續(xù)進給切削，同時控制三個坐標軸的運動，走刀和下刀同時進行，改變以往等高線加工下刀和走刀分開的現(xiàn)象，此時就不存在每一次走刀都需要切入和切出，浪費走刀路線的問題。

本文探索采用連續(xù)進給加工。一種方法是數(shù)控系統(tǒng)具有的變徑螺旋插補功能，另一種方法是采用極坐標連續(xù)進給的編程方法，本文對比兩種方法，“自上而下”對半球進行連續(xù)加工。

3.2編程思路

根據(jù)零件表面粗糙度Ra要求獲得殘留高度H值，然后計算刀具每繞著球面轉(zhuǎn)一圈進給的角度θ，即步進角θ，使刀具沿著球面進行螺旋插補。

3.3加工程序

方法一：采用極坐標連續(xù)進給的編程方法。將球心作為零件加工原點基于FANUC-0i數(shù)控系統(tǒng)進行程序編制[7-8]，程序中各變量含義如表1所示。

表1　宏程序中各變量的定義

主程序

O0922/加工主程序

G54 G90 G00 X0 Y0/建立工件坐標系，絕對坐標編程，快速定位到X0Y0

M03 S1600/啟動主軸

G65 P1922 A50 B4 C90 E0.0063 I0 S1/調(diào)用宏程序，并給變量賦值

M30 /程序結(jié)束

宏程序

O1922/宏程序名

N1#12=#1+#2 /球心與刀心連線距離(常量)

N2#16=#1*#1+#1*#2+#1*#8+0.5*#8*#8/計算中間變量#16

N3#17=#1*#1+#1*#8+#1*#2+#8*#2/計算中間變量#17

N4#18=#16/#17/計算中間變量#18

N5#19=2*ACOS[#18] /計算步進角#19

N6G00X20Y0/X、Y方向定位

N7Z[#12+10]/下刀

N8G01Z#12F300/Z方向下刀

N9#7=#12*COS[#3]/ 任意角度時銑刀球心的X坐標值

N10G01X#7F300/切入

N11WHILE[#3GT#4]DO1/如果#3<#4，循環(huán)1繼續(xù)

N12#3=#3-#19/360/角度每次遞減#19/360

N13#7=#12*COS[#3]/ 任意角度時銑刀球心的X坐標值

N14#8=#12*SIN[#3]/ 任意角度時銑刀球心的Z坐標值

N15#11=#11+#19/極角#11每次遞增#19

N16#11=#11-ROUND[#11/360]*360/當角度大于360度時取余

N17G16/極坐標編程

N18G02 X#7 Y#11 R#7 Z#8 F100/三坐標聯(lián)動，極半徑#7，極角#11，每次插補的Z坐標為#8

N19G15/極坐標編程取消

N20END1/循環(huán)1結(jié)束

N21G01Y100F300/切出

N22G01X100

N23G00Z[#12+100] /抬刀至安全高度

N24M99 /宏程序結(jié)束返回如下

3.4刀具路徑軌跡

采用數(shù)控仿真軟模擬刀具路徑軌跡及加工出的零件如下(為了刀路顯示清楚，增大了步進角的刀路)，說明編制的宏程序正確，可以實現(xiàn)循環(huán)，刀具路徑軌跡如圖3所示。

圖3　極坐標連續(xù)進給數(shù)控仿真路徑軌跡圖

方法二：采用數(shù)控系統(tǒng)具有變螺距螺旋插補功能，但在一個螺距內(nèi)的半徑必須保持不變，這樣在改變半徑時就會出現(xiàn)折線，即：

如果將N11到N20間程序段改為[7]：

N11WHILE[#3GT#4]DO1

N12#7=#12*COS[#3]

N13#3=#3-#19

N14#6=#12*SIN[#3]

N15#8=#12*COS[#3]

N16G02X#8I-#7Z#6F100

N17END1

刀具路徑軌跡如圖4所示。

圖4　變螺距螺旋插補數(shù)控仿真路徑軌跡圖

3.5結(jié)果分析

本文探討的連續(xù)進給編程路徑連貫，不會出現(xiàn)陡然的轉(zhuǎn)折，可有效保證零件的加工質(zhì)量。并根據(jù)零件表面粗糙度要求計算步進角的大小，在滿足零件的表面粗糙度要求的前提下刀路最短。

4結(jié)論

本文推導出球形曲面的殘留高度公式，加工的殘留高度受球頭刀半徑和每齒進給量和步進角影響。在刀具選定的條件下，選擇合適步進角，節(jié)省走刀路線，減小數(shù)控系統(tǒng)的計算量，又能保證零件的加工質(zhì)量在精度要求范圍內(nèi)，提高零件的加工效率具有重要的現(xiàn)實意義。為三坐標機床加工球形曲面的數(shù)控宏程序的設(shè)計提供編程方法和策略。

對于曲率半徑變化不大的曲面，可近似利用球形曲面的殘留高度計算方法，在編制數(shù)控加工程序時，可采用用圓弧段逼近曲面形狀，采用極坐標編程方法。因此該方法具有很好的推廣價值。

[參考文獻]

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[8]彼得．斯密德.數(shù)控編程手冊[M]．羅學科,譯．北京：化學工業(yè)出版社，2005．

(編輯趙蓉)

The NC Machining of Spherical Surface Based on Constant Scallop-height

XI Qing-kun

(Department of Mechanical Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Deyang Sichuan 618000,China)

Abstract：On the basis of studying on the residual height of spherical surface for finishing by ball end milling cutter, and analyzing the relationship of residual height and surface roughness, ball milling step angle was calculated based on residual height. Surface machining was completed by controlling step-angle. The residual height of spherical surface was controlled effectively during manual programming. The requirements of surface roughness was satisfied. NC macro program of spherical surface finishing was designed based on constant scallop-height, for example hemispherical surface. At the same time, Using the method of continuous feed programming, processing quality was ensured and processing efficiency was improved. The programming method and strategy were provided for the design of spherical surface NC machining.

Key words：constant scallop-height; surface roughness; continuous feed; spherical surface; NC machining

中圖分類號：TH165；TG547

文獻標識碼：A

作者簡介：西慶坤(1981—)，女，吉林梅河口人，四川工程職業(yè)技術(shù)學院講師，碩士，加工中心技師，研究方向為數(shù)控技術(shù)研究，(E-mail)xiqingkuni@126.com。

基金項目：德陽市科技支撐項目：基于殘留高度控制的二次曲面銑削方法研究(DYCC20150134)

收稿日期：2015-03-12；修回日期：2015-04-06

文章編號：1001-2265(2015)12-0130-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.12.035