數(shù)控銑削加工中的過切現(xiàn)象分析

摘要:數(shù)控銑削加工常需要建立刀具半徑補償，而由于刀具半徑補償建立可能產(chǎn)生刀位過切現(xiàn)象。通過刀具半徑補償?shù)挠嬎阍恚瑥漠a(chǎn)生過切的幾種常見現(xiàn)象出發(fā)，分析其產(chǎn)生的原因，并提出相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞:刀具半徑補償;過切

中圖分類號:TG547 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0264-02

1 刀具半徑補償?shù)挠嬎阍?/p>

在數(shù)控機床上加工零件時，數(shù)控系統(tǒng)控制刀具，使刀具的刀位點沿著數(shù)控加工程序中規(guī)定的軌跡移動。所謂刀位點，就是刀具上的編程點或者說刀具上的對刀點。對于立銑刀、鍵槽銑刀而言，其刀位點就是刀具端面的中心點(如圖1所示的ɑ點)。

為了能夠加工出符合圖紙要求的工件輪廓，刀位點的移動軌跡必須偏離工件輪廓一個適當?shù)木嚯x(如圖2所示)。其法向距離等于刀具的半徑RD。因此在編程和加工過程中就需要進行刀具半徑的補償。刀具半徑的補償有人工補償和機床補償兩種方法 。當采用人工補償時，由于它是用人工的方法確定出刀位點的軌跡，然后按照刀位點軌跡計算坐標并編寫程序，因此一般不會產(chǎn)生過切。當采用機床補償時，編程只按照工件輪廓計算坐標，并在程序中指令機床進行刀具半徑補償。機床在運行程序過程中，根據(jù)給定的刀偏指令和刀具半徑R。的大小，自動確定出刀位點的軌跡，并控制刀具沿著刀位點軌跡移動，從而加工出符合圖紙要求的工件輪廓。

根據(jù)銑削方式的不同刀具相對于工件輪廓的偏移方向有兩種情況:刀具左偏和刀具右偏。當使用立銑刀或鍵槽銑刀加工零件且插補平面為XOY坐標面時，若采用順銑，刀具偏在工件輪廓的左側(cè)，若采用逆銑，刀具偏在工件輪廓右側(cè)。刀具左偏指令為G41，刀具右偏指令為G42，取消刀偏的指令為G40。由CNC裝置的刀具補償計算原理可知:CNC裝置確定刀位點軌跡時，在計算完本段軌跡以后，緊接著將下一程序段讀人進行刀補計算。然后根據(jù)計算結(jié)果對本段軌跡的終點和下一段軌跡的起點進行適當?shù)男拚瑥亩_定出該兩段軌跡的轉(zhuǎn)接點。

如圖3所示，如果編程輪廓為AB、BC ，走刀方向為A-B-C，刀偏指令為G41，假設(shè)刀具的當前點已經(jīng)在A1點。則CNC裝置在進行刀具半徑補償時，先將AB輪廓的程序段讀人，根據(jù)給定的刀偏指令以及刀具半徑R。的大小，計算出與AB輪廓對應(yīng)的刀心軌跡A1B1。緊接著將BC輪廓的程序段讀人，計算出與BC輪廓對應(yīng)的刀心軌跡B2C1。然后根據(jù)計算結(jié)果，對A1B1的終點和B2C1的起點進行修正。若A1B1、B2C1相交于B3(如圖(a)所示)，則A1B1修正后的終點為B3，B2C1修正后的起點為B3。然后將A1B3數(shù)據(jù)作為AB輪廓的刀位點軌跡送人插補寄存器進行插補計算。若A1B1、B2C1不相交，則在A1B1的終點和B2C1的起點之間插人過渡軌跡。采用B功能刀具半徑補償?shù)臄?shù)控系統(tǒng)，其過渡軌跡為圓弧B1B2。圓弧的半徑等于R。(如圖(b)、(c)所示)。采用C功能刀具半徑補償?shù)臄?shù)控系統(tǒng)，則將A1B1、B2C1各自延長RD的長度至B4、B5。若延長線相交于B6，則A1B1修正后的終點為B6，B2C1修正后的起點為B6(如圖(b)所示)。若延長線不相交，則A1B1修正后的終點為B4，B2C1修正后的起點為B5 ，并在B4、B5之間插人過渡直線B4B5(如圖(c)所示)。由此可知，CNC裝置在對刀心軌跡進行終點和起點修正時不能改變本程序段的起點位置，即刀具當前點的位置。另一方面，對含有刀偏指令G41或G42的程序段，CNC裝置在進行刀補計算時的處理方法是:本程序段刀心軌跡的終點取在下一程序段輪廓起點的法線方向，距輪廓起點的距離等于RD。對含有刀偏取消指令G40的程序段，CNC裝置在進行刀補計算時的處理方法是:本程序段刀心軌跡的起點取在上一程序段輪廓終點的法線方向，距輪廓終點的距離等于RD。

2 刀具補償中過切現(xiàn)象解決方法

刀具補償中的過切總是發(fā)生在完成刀偏和取消刀偏的過渡輪廓與工件輪廓的連接處。因此，不免產(chǎn)生過切的關(guān)鍵是合理地選擇過渡輪廓。將過渡輪廓選在工件輪廓的切線方向上，必然會產(chǎn)生過切。

如果采用斜線切入、切出方法(如圖4所示)，使過渡輪廓QA、AP與工件輪廓成一定的角度，并使尺寸L≥RD，則可避免過切。但這種方法會帶來另一個問題:刀具在切入、切出點A處的進給速度方向發(fā)生突變，因而刀具在A點附近有一個加減速的過程。刀具經(jīng)過A點附近時相對進給速度較工件輪廓上其它點處的相對進給速度小。那么刀具在A點附近切削時，工藝系統(tǒng)的受力變形，較刀具在工件輪廓上其它點處切削時的變形小，從而在A點處的工件表面上，留下一條刀痕。因此當零件表面質(zhì)量要求較高時，用斜線切人、切出法，仍然不可取。最理想的過渡方法是切線切人、切出法。也就是使刀具切削刃掠過的軌跡與工件輪廓成切線方式相連接。如圖5和圖6所示，用一與切人點A相切、圓心角等于90°的圓弧AB為切人過渡輪廓;用一與切出點A相切、圓心角等于90°的圓弧AC為切出過渡輪廓。并選PB、PC為完成刀偏和取消刀偏的過渡輪廓。編制如下程序:

……

NIG00 G90 XP YP

NI+1……(下刀)

NI+2G01(或G00)XB YB G41(或G42) F_

NI+3G02(或G03)XA YB R_

……

NJ……XA YA(沿工件輪廓切回至A點)

NJ+1G02(或G03) XC YC R_

NJ+2G01(或G00) XP YP G40

NJ+3……(抬刀)

……

數(shù)控機床在執(zhí)行NI+2 G01(或G00)XB YB G41(或G42) F_程序段時，刀位點將從P點移動至B1點。在執(zhí)行G02(或G03)XA YB R_程序段時，刀位點將沿著圓弧A1B1從B1點移動至A1點。刀具切削刃所掠過的軌跡為圓弧AB。數(shù)控機床在執(zhí)行NJ+1 G02(或G03)XC YC R_程序段時，刀位點將沿著圓弧A1C1點從A1移動至C1點。刀具切削刃所掠過的軌跡為圓弧AC。在執(zhí)行NJ+2 G01(或G00)XP YP G40程序段時，刀位點將從C1點移動至P點。這樣無論是切人還是切出，刀具在A點處的進給速度方向都不發(fā)生突變。既能有效地避免過切，同時又能避免刀具在切人、切出點附近的加減速過程，從而避免在工件表面留下刀痕。采用切線切人、切出過渡方法時，應(yīng)注意以下兩點A、由圖中幾何關(guān)系得過渡圓弧半徑R1、刀位點軌跡圓弧半徑R2、刀具半徑R0之間的關(guān)系R2=R1-R0。若R1

3 其他過切現(xiàn)象及解決方法

3.1 加工拐角時產(chǎn)生的過切

3.1.1 加工內(nèi)角交接處引起的過切

如圖7所示，在銑削零件輪廓內(nèi)角時可能產(chǎn)生過切，其原因如下:(1)當銑刀運動至內(nèi)角交接處B點時，銑刀與工件的接觸面積增大，切削力也隨之增大，然后過拐角由銑兩面變?yōu)殂娨幻鏁r切削力減小，工藝系統(tǒng)彈性變形恢復(fù)致使刀具向工件加工表面內(nèi)側(cè)變形，從而產(chǎn)生過切;(2)對大慣性系統(tǒng)，當進給速度較高時，由于其運動慣性也可導(dǎo)致刀具過切。解決措施可以從兩個方面著手:(1)選擇剛性好、抗震及熱變形小的短柄刀具。選擇好的刀具雖然增加了刀具成本，但可提高加工品質(zhì)，大大降低加工成本;(2)采用進給速度分級編程。如圖所示，將AB和BC段均分為兩段AX、XB及BY、YC，其中AX、YC段為正常速度段，XB、BY段為低速段(一般不超正常速度1/2)，XB、BY的距離長度宜選為(1.2-2) R ， R為刀具半徑，并且低速段的進給速度，當?shù)毒甙霃捷^大或AB、BC夾角較小時，應(yīng)進一步降低。

3.1.2 各軸速度滯后特性引起的過切

加工拐角為直角的零件，而且加工路線恰好沿著兩個正交坐標軸時，在某一坐標伺服系統(tǒng)的位置指令輸入停止瞬間，另一個坐標軸伺服系統(tǒng)緊接著接受位置指令，并瞬間從零加速至指定的速度。但在指令突然改變瞬間，第一軸對指令位置有滯后量，從而在第二軸開始加速時第一軸尚未到拐點，因此出現(xiàn)過切。解決措施可以從兩個方面著手:(1)在編程時對第一坐標采用分級降速的辦法或使程序轉(zhuǎn)段時有自動減速和加速功能;(2)注意裝夾方法，避免加工路線正好沿著兩個基本點正交坐標軸;(3)編程時在拐角處略作停頓。

3.2 處理加工工藝時產(chǎn)生的過切

加工工藝過程中走刀路線、切削用量選擇等選擇不當也會引起過切。可以通過三個方面來預(yù)防:(1)對于非直線輪廓的銑削(如圓弧)，銑刀銑外圓時要讓刀沿切線方向進入圓弧銑削，避免法線方向切入;加工完成后讓刀具多走一段，同時沿切線方向退出，以免在取消刀補時出現(xiàn)過切現(xiàn)象。在銑削內(nèi)圓弧時，也要沿切線方向切入切出，此時切線方向切入應(yīng)為圓弧與圓弧相切;(2)對于精度要求高的零件分為粗、精加工，分配加工余量時精加工應(yīng)取0. 1mm-0.4)mm。在加工要求較高的凹槽時，宜用直徑較小一些的立銑刀 ，先銑槽的中部，然后利用刀具半徑補償銑削兩邊;(3)為了減少不必要的換刀定位誤差，將零件上用一把刀加工的部位全部加工完后，再換另一把刀來加工。

在數(shù)控銑削加工中引起過切的原因是多方面的，零件結(jié)構(gòu)工藝的不合理會造成過切，刀具選擇不恰當會發(fā)生過切，編寫的數(shù)控加工程序結(jié)構(gòu)不合理也會形成過切。因此，對需要進行數(shù)控銑削加工的零件，在編制其數(shù)控加工程序時，必須綜合考慮零件結(jié)構(gòu)工藝、刀具選擇和數(shù)控加工程序結(jié)構(gòu)等各方面的影響因素才能得到規(guī)定的工件形狀。

參考文獻

[1]李佳.數(shù)控機床及應(yīng)用[M].清華大學出版社，2001.

[2]顧京.數(shù)控加工編程與操作[M]. 北京:高等教育出版社，2003.

[3]朱曉春.數(shù)控技術(shù)北京[M].機械工業(yè)出版社，2001.