多邊形車削原理與應用

龔仲華

(常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164)

多邊形車削原理與應用

龔仲華

(常州機電職業技術學院，江蘇常州 213164)

闡述了多邊形車削成型原理，分析了成型誤差和控制要求，介紹了FANUC-0iC/D數控系統的參數設定和CNC加工程序的編制方法。

多邊形車削;成型誤差;控制;編程

多邊形車削是用車削方式，將回轉體加工成多棱柱的功能。它可解決接頭、螺母類零件的外側面車削成型問題，其加工效率高、工藝簡單、編程容易。文中闡述了多邊形車削加工的成型原理，分析了成型誤差和控制要求，介紹了FANUC-0iC/D數控系統的參數設定和CNC加工程序的編制方法，供數控機床使用、調試人員參考。

1 功能說明

利用車削方式加工多棱柱時(圖1(a))，工件截面的多邊形軌跡需要通過工件和刀具的旋轉運動合成生成。加工時，刀具不僅需要旋轉，且其角速度必須為工件角速度的2倍，因此，這是一種保持角位移同步的CNC特殊插補方式，通常需要在帶有動力刀具的車削中心或車銑復合加工機床上實現。

多邊形車削是一種近似加工。利用工件和刀具旋轉運動合成所生成的多邊形，實際上是橢圓圓弧段的組合，但是，由于其橢圓的長/短軸之比很大，因此，圓弧段和直線非常接近，其成型誤差可滿足絕大多數零件的要求。多邊形的成型誤差決定于工件和刀盤的直徑，在工件直徑一定時，增加刀盤直徑，便可減小成型誤差。

多邊形的形狀可通過改變刀盤上的刀片數量改變。利用工件和刀具旋轉運動合成所生成的多邊形，其邊數是刀盤上所安裝的刀片數量的2倍，因此，它只能生成偶數邊的多邊形。例如，當刀盤間隔180°安裝2片刀片時，可車削出圖1(b)所示的四方;間隔120°安裝3片刀片時，則可車削出1(c)所示的六角。

圖1 多邊形車削

2 成型原理

多邊形車削加工的截面軌跡通過工件和刀具的旋轉運動合成生成，其成型原理如圖2所示。

圖2 多邊形車削成型原理

當工件的半徑和角速度為r和α、刀盤的半徑和角速度為R和β、主軸和刀盤的中心距為A時，如以工件 (主軸)的軸心為原點建立XY坐標系，并假設工件靜止、切削開始時的刀尖位置為P0，則在t時刻，刀尖位置P1的坐標值為:

如果保證刀盤的角速度為工件角速度的2倍，便有β=2α，上式可簡化為:

其運動軌跡是長軸為A+R(Y向)、短軸為A－R(X向)的橢圓;當刀尖轉過360°、工件轉過180°時，將在工件上得到多邊形的一條等效邊。因此，只要在刀盤上隔180°安裝2把刀片，則可分別生成圖1 (b)所示的2個橢圓軌跡，其中心部分近似為四方;如在刀盤上隔120°安裝3把刀片，則可分別產生圖1 (c)所示的3個橢圓軌跡，其中心部分近似為六角;如此類推，這就是多邊形車削成型原理。

3 成型誤差

由以上成型原理可知，成型橢圓的長短軸之差2R就是刀盤直徑;而等效圓弧段的長則決定于工件直徑。因此，增加刀盤直徑或者減小工件直徑，都可以減小成型誤差。例如，對于圖3所示的φ40棒料加工，如刀盤直徑為φ120(R=60)，加工四方和六角的成型誤差可計算如下。

圖3 四方和六角成型要求

由圖3(a)可見，加工四方時，圖2的C應取5.86，主軸和刀盤的中心距A為:

成型誤差最大的位置在y=14.14的4個角上，該位置的X向偏差可計算如下:

得圖1中的αt=6.05°，故該點的實際X值為:

其X向的偏差為:Δx=14.14－14.06=0.08 mm

根據圖3(b)，加工六角時的誤差最大位置在y=10的角上，其X向偏差為0.05 mm。

以上X向的偏差實際上就是橢圓段和直線段間的最大偏差，即多邊形的成型誤差。反之，如果多邊形成型誤差要求已經確定，也可根據誤差來確定刀盤半徑R。

例如，當要求以上四方加工的成型誤差Δx＜0.05 mm時，就應保證y=14.14時的x≥14.14－0.05=14.09 mm，由于四方加工的中心距需保證A= (R+20)－5.86，故有:

即刀盤直徑需要擴大至φ154.2以上。

同樣，如要求六角加工時的成型誤差 Δx小于0.03，用同樣的方法，可計算出刀盤直徑需要擴大至φ152.7以上。

因此，在通常情況下，只要選擇刀盤直徑為工件直徑的3～4倍，其成型誤差便能滿足絕大多數多邊形加工對成型誤差的要求。

4 控制要求

根據多邊形車削成型原理，多邊形車削的關鍵是要保證工件和刀盤的角速度比為1∶2，因此，它對機床的功能要求是:(1)主軸必須安裝角位移檢測編碼器;(2)刀盤必須能跟隨主軸同步旋轉。故刀盤應采用伺服軸或具有同步控制功能的第2主軸驅動。

當刀盤使用伺服軸驅動時，它需要能像螺紋切削加工一樣，跟隨主軸同步進給。但是，由于伺服電機的額定轉速高、輸出功率相對較小，且其恒轉矩輸出特性不宜用于切削主運動 (恒功率)控制，因此，它通常只用于小規格零件的低速加工。

主軸電機具有輸出功率大、額定轉速低、最高轉速高的優點，且其額定轉速以上區域為恒功率調速，它是多邊形車削加工常用的控制方案。當刀盤使用第2主軸控制時，它需要跟隨第1主軸同步旋轉，且還需要利用CNC加工程序指令進行速度控制和同步控制的切換，因此，第1、第2主軸通常都需要選擇CNC總線控制。

多邊形車削加工需要在CNC上設定專門的參數。以FANUC-0iC/D為例，使用第2主軸進行多邊形車削加工時，需要設定的主要參數及作用如下:

PRM7602.5:多邊形車削相位控制功能選擇，設定0時功能有效。

PRM7640/PRM7641:多邊形車削時的主/從主軸選擇;設定0時，將自動選擇第1/第2串行主軸。

5 程序編制

多邊形車削加工程序決定于機床所配套的CNC，可根據加工精度的要求，選擇如下兩種方法加工。

對于精度要求不高的小直徑管、接頭類零件，可通過Z軸的進給運動，在棒料上一次車削成型。以配套FANUC-0iC/D數控系統的車削中心加工圖4所示的六角為例，其六角車削加工程序段指令如下(半徑編程):

圖4 一次成型例

以上程序中，G51.2為FANUC-0iC/D主軸同步指令;G50.2為同步控制撤銷指令。指令G51.2中的參數P/Q用來定義第1/第2主軸的速度比，R用來定義第2主軸和第1主軸的相位偏移。

對于加工精度要求較高的大規格零件，多邊形車削可通過X向進給加工成型，如需要，還可通過改變第2主軸和第1主軸的相位偏移，提高加工精度。以圖5所示的φ80六角車削為例，其車削加工程序段指令如下(半徑編程):

圖5 六角車削例

以上程序中，N100～N110為粗車程序，N110～N140為精車程序。在精車程序中，通過改變指令G51.2的參數R，對刀盤的相位進行了3次調整，使得每一邊都由3個刀尖分別進行了一次加工，從而減小了成型誤差、提高了加工精度。

6 結束語

多邊形車削是車削中心、車銑復合加工機床的新功能，它利用工件和刀具的旋轉運動合成，解決了四方、六角等特定多邊形的車削加工成型問題;且其成型誤差可通過控制工件和刀盤的直徑比，簡單地進行調整。由于較多的數控機床操作、使用、調試人員對其成型原理、控制要求及功能的使用、調試、編程方法可能不甚了解，希望文中的研究內容能對此有所幫助。

【1】北京發那科機電有限公司.FANUC Series 0i-MODEL D連接說明書(功能篇)［M］，2012.

【2】北京發那科機電有限公司.FANUC Series 0i-MODEL D參數說明書［M］，2008.

Principle and Application of Polygon Turning

GONG Zhonghua
(Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China)

The principle of polygon turning was introduced.The forming error and control requirements were analyzed.The FANUC-0iC/D control parameters setting and CNC programming method were also introduced.

Polygon turning;Forming error;Control;Programming

TG659

B

1001－3881(2014)8－066－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.022

2013－03－29

龔仲華 (1962—)，男，教授，教授級高級工程師，長期從事數控機床與控制技術研究。E－mail:gongzhonghua666@163.com。