數(shù)控銑削圓倒角螺旋加工法的研究*

韋洪新 程發(fā)武

(景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

目前，在數(shù)控加工中心上普遍使用等高分層法銑削倒角，但該加工方法有諸多缺點(diǎn)，例如加工表面精度低，會(huì)產(chǎn)生駐刀痕等等[1-2]。為解決這類問(wèn)題，可使用螺旋加工的形式。螺旋加工刀路銜接平緩順暢，無(wú)明顯的陡折，機(jī)床振動(dòng)小，對(duì)刀具和機(jī)床有一定的保護(hù)作用[3]。使用軟件自動(dòng)編程，程序冗長(zhǎng)且不易修改，而使用宏程序來(lái)編程僅用幾行程序段就能等效自動(dòng)編程的數(shù)百行程序，并且方便修改，只需改動(dòng)幾個(gè)參數(shù)就能適應(yīng)零件尺寸的變化，在保證加工精度的同時(shí)提高了的編程效率[4-6]。

下面對(duì)倒角螺旋進(jìn)行分析研究，通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析來(lái)定制宏程序加工模板，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證其可行性[7]。

1 外圓倒斜角螺旋

1.1 數(shù)學(xué)模型分析

設(shè)定倒斜角的角度θ(#2)和一邊長(zhǎng)A(#3),外圓半徑為R(#4)，如圖1所示。假設(shè)倒角后斜角頂部半徑為r(#6)，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系就有r=R-A/tanθ，即#6=#4-#3/TAN#2。

將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在頂部圓心位置，建立坐標(biāo)系。螺旋線的每一個(gè)螺距為一個(gè)循環(huán)，設(shè)定初始Z向距離#1，每次循環(huán)#1的變化量為#5，下面進(jìn)行加工程序的編寫。

1.2 宏程序的編寫

使用立銑刀順銑外圓斜角如表1所示。

表1 外圓倒斜角螺旋

1.3 仿真驗(yàn)證

仿真刀路圖如圖2，刀路平穩(wěn)有規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期的要求。

1.4 編程說(shuō)明及使用方法

(1)#1為Z向距離初始變量，改變#1的值，例如給定#1=-0.5，可以使刀具在倒角上方開始加工，避免了刀具移動(dòng)過(guò)程中與工件發(fā)生直接碰撞。#5為#1的變化值，適當(dāng)降低#5的賦值，有利于提高倒斜角的加工精度。

(2)斜角角度用#2變量表示，可根據(jù)實(shí)際情況給定角度值，遇到需要倒各種角度倒角的場(chǎng)合都能快速地修改數(shù)值，非常方便。

(3)因此處為外圓倒角，所以#4為外圓半徑值，若需要內(nèi)圓倒角的宏程序，則#4為內(nèi)圓半徑，同時(shí)#6，#13，#14宏程序命令還需做一個(gè)簡(jiǎn)單修改，此時(shí)：

#6=#4+#3/TAN[#2]；

#13=[#6-[#1+#10*#5/360]]*COS[-#10]；

#14=[#6-[#1+#10*#5/360]]*SIN[-#10].

經(jīng)過(guò)稍微改動(dòng)的宏程序仿真如圖3，刀路準(zhǔn)確無(wú)誤，達(dá)到預(yù)期效果。

(4)采用螺旋的加工方式，刀路銜接順暢，相比較傳統(tǒng)的等高分層法，加工表面無(wú)明顯的加工痕跡。采用圓弧插補(bǔ)，相比較直線插補(bǔ)加工精度更高。加工底端用整圓補(bǔ)齊，若底部為開放區(qū)域則沒(méi)有必要，若底部為封閉區(qū)域，該步不僅能有效地去除底端余量還能防止底部過(guò)切。若想實(shí)現(xiàn)逆銑，需要將X坐標(biāo)變量#13和Y坐標(biāo)變量#14中#10前的負(fù)號(hào)去掉并且將圓弧插補(bǔ)G2改為G3。當(dāng)然也可以使用宏變量來(lái)控制#10前負(fù)號(hào)的有無(wú)和圓弧插補(bǔ)的形式。該說(shuō)明也適應(yīng)于下文的倒圓角。

(5)若想要使用球頭刀加工，需要做一些處理。假設(shè)球頭刀半徑值由宏變量#7控制，可以將XYZ坐標(biāo)都加上刀具補(bǔ)償值，此時(shí)：

#13=[#7*SIN[#2]+#6+[#1+#10*#5/360]]*COS[-#10]；

#14=[#7*SIN[#2]+#6+[#1+#10*#5/360]]*SIN[-#10]；

#15=[#1+#10*#5/360]*TAN[#2]+#7*COS[#2].

2 外圓倒圓角螺旋

2.1 數(shù)學(xué)模型分析

設(shè)定倒圓角的值為R(#3)，外圓半徑為A(#4)，如圖4所示。假設(shè)倒角后斜角頂部半徑為B(#6)，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系就有B=A-R，即#6=#4-#3。

將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在圓角底部外圓圓心位置，建立坐標(biāo)系。螺旋線的每一個(gè)螺距為一個(gè)循環(huán)，設(shè)定初始角度為#1，每次循環(huán)#1的變化量為#5，下面進(jìn)行加工程序的編寫。

2.2 宏程序的編寫

使用立銑刀順銑外圓圓角如表2所示。

表2 外圓倒圓角螺旋

2.3 仿真驗(yàn)證

仿真刀路圖如圖5，刀路平穩(wěn)有規(guī)律，達(dá)到了預(yù)期的要求。

2.4 編程說(shuō)明及使用方法

(1)#1為圓角初始角度，#2為圓角結(jié)束角度。表2中給出的是0～90°，代表著1/4個(gè)圓弧，若想要實(shí)現(xiàn)任意弧度的圓角，通過(guò)改動(dòng)#1和#2的賦值也是很容易實(shí)現(xiàn)的。

(2)#3為圓角半徑值，#4為外圓半徑值，#6為刀具接觸工件時(shí)的X坐標(biāo)。若要加工內(nèi)圓倒圓角，則#4為內(nèi)圓半徑值，此時(shí)的 #6=#4+#3；

#13=[#6-#3*SIN[#1+#10*#5/360]]*COS[-#10]；

#14=[#6-#3*SIN[#1+#10*#5/360]]*SIN[-#10].

經(jīng)過(guò)細(xì)微改動(dòng)的內(nèi)圓倒圓角螺旋加工宏程序仿真如圖6所示，可以看出刀路無(wú)誤，切實(shí)可行。

(3)若想要實(shí)現(xiàn)凹圓角的加工，只需要在外圓倒圓角的基礎(chǔ)之上，將#13、#14和#15改為：

#13=[#6+#3-#3*SIN[#1+#10*#5/360]]*COS[-#10]；

#14=[#6+#3-#3*SIN[#1+#10*#5/360]]*SIN[-#10]；

#15=#3-#3*COS[#1+#10*#5/360].

經(jīng)過(guò)稍微改動(dòng)的宏程序，仿真如圖7，刀路準(zhǔn)確無(wú)誤，達(dá)到預(yù)期效果。

(4)若想要使用球頭刀加工，也需要做一些簡(jiǎn)單處理，在圓角值的基礎(chǔ)之上加球頭刀半徑值即可。

3 結(jié)語(yǔ)

倒角面螺旋加工法相比傳統(tǒng)的等高分層法有較大的優(yōu)勢(shì)，提高了工件的精度和表面粗糙度。與自動(dòng)編程相比，程序段少，易于修改，適合一類零件的加工。將螺旋的思維融入其中，能改善刀路，彌補(bǔ)刀路在加工中存在的不足，避免了不必要的停刀轉(zhuǎn)折對(duì)刀具或零件表面所造成的影響。通過(guò)對(duì)宏程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，就能達(dá)到預(yù)期的刀路，編程效率很高。另外，也可將編寫的宏程序作為子程序錄入機(jī)床中隨時(shí)調(diào)用，而這樣的調(diào)用指令并不難。