基于普通數控車床的非圓截面加工技術

孟慶津，殷　豪，苑佳毅

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所 ，四川 綿陽 621900)

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基于普通數控車床的非圓截面加工技術

孟慶津，殷豪，苑佳毅

(中國工程物理研究院 機械制造工藝研究所 ，四川 綿陽 621900)

摘要：非圓截面加工多采用數控銑削、仿形銑削及線切割等工藝方法完成。以阿基米德螺旋線凸輪的加工為例，提出了一種普通數控車床加工任意非圓截面的方法。基于普通車床連續螺紋插補功能，對阿基米德螺線截面輪廓進行了擬合，并通過降低主軸轉速及提高編程計算精度來提高輪廓的加工精度。詳細地介紹了該類零件的編程方法，并對關鍵點位的向心角及螺距等參數進行了計算。將理論計算法與軟件作圖法進行結合，確定了刀具的最小后角。經實際生產驗證，非圓截面的車削加工有效地擴大了數控車床的使用范圍，增加了工藝選擇的靈活性。

關鍵詞：阿基米德螺旋線凸輪；非圓截面車削；螺紋插補

通常數控車床加工的都是各類回轉面，如圓柱面、圓錐面和球面等，這類零件其截面都為圓形，而在實際生產中非圓截面的加工常采用數控銑削、仿形銑削及線切割等加工方法實現，如各類凸輪、非圓齒輪齒坯[1]。運用數控車床主軸與X軸聯動，在選用合適的刀具角度的情況下可以實現非圓截面的車削加工，該方法擴展了數控車床的加工范圍，開闊了數控車床編程的思路和方法。

1實例分析

圖1　阿基米德螺線凸輪三維圖

某自動凸輪機構中的阿基米德螺旋線凸輪如圖1所示[2]，外輪廓為非圓異形截面(見圖2)，采用數控車削加工完成。

圖2　凸輪平面圖

2編程原理及程序

2.1加工原理

運用數控車床的連續螺紋插補功能，通過端面螺紋加工方法，擬合出截面輪廓。在擬合過程中，受X軸伺服響應速度的影響，會有一定的擬合誤差，可以通過降低主軸轉速或提高編程時輪廓的計算精度的方法來提高輪廓的加工精度。

2.2編程計算原理

1)輪廓第一、第二象限為阿基米德螺旋線，該輪廓在凸輪截面上的向心角為180°，徑向輪廓尺寸的變化量為：27.5-25=2.5 (mm)，在整個圓周的變化量應為：(360/180)×2.5=5(mm)，該輪廓實際是螺距為5 mm的端面螺紋(見圖3)，取起點P0、終點P1，即可完成該部分的加工(刀具加工順序為由P0點向P1點，即該截面取P0點為周向起點，工件順時針旋轉完成加工)。

圖3　第一、二象限阿基米德螺旋線輪廓點位圖

2)第三象限R50輪廓的編程處理方法。第三象限R50圓弧在凸輪截面上的向心角為26.37°，將該輪廓分為10份取點，每份對應的圓弧在凸輪輪廓上的向心角為2.637°，分別取11個點(P1～P10)，P1點為阿基米德螺旋線的終點(見圖4)。

圖4　第三象限R50輪廓點位圖

各點到回轉中心的距離為Rp,則相鄰2點之間的半徑差為：Rp2-Rp1(刀具插補的順序為由Rp1到Rp2)，插補該2點之間的端面螺紋的螺距p應為：

(1)

式中，Δθ為Rp2與Rp12點在截面輪廓上以回轉中心為坐標原點所對應的向心角。

由上述原理可以推導出插補各點時編程的螺距與直徑坐標數據(見表1)。

表1　第三象限R50輪廓數據表

續表

注：P0點的上一點為右側R50圓弧上的點。

3)第三象限R15輪廓的編程處理方法。第三象限R15圓弧在凸輪截面上的向心角為13.07°，將該輪廓分為5份取點，每份對應的圓弧在凸輪輪廓上的向心角為2.61°，分別取6個點(P11～P16)，P11點為R50圓弧的終點(見圖5)。同理可以推導出插補該輪廓段中各點時編程的螺距與直徑坐標數據(見表2)。

圖5　第三象限R15輪廓點位圖

點位編號直徑值?p/mm與上一點的半徑差/mm與上一點所對應的輪廓向心角Δθ/(°)螺距/mmP1158.44470.29772.637040.6492P1259.00310.27922.614838.4397P1359.43850.21772.614829.9725P1459.75020.155852.614821.4571P1559.93750.093652.614812.8935P1660.00000.031252.61484.3024

4)第三、四象限R30圓弧的編程處理方法。該段輪廓為與回轉中心同軸的圓弧，徑向變化量為0，可取起點P16與終點P17(見圖6)，在軸向設置位移量，即將該段輪廓視為軸向螺紋的一部分來處理。

圖6　第三、四象限R30輪廓點位圖

而截面中其余輪廓部分都為端面螺紋插補，無軸向位移，故該段輪廓的軸向位移量即為整個截面每轉的進給量，如取每轉進給量為0.1 mm，則該輪廓編程時的螺距應為：(360°/80.56°)×0.1=0.446 9°。

第四象限R15與R50輪廓部分的處理方法與第三象限R15與R50 兩處圓弧的處理方法相同。

第四象限R15的坐標點數據見表3。

表3　第四象限R15輪廓數據表

第四象限R50圓弧的坐標點數據見表4。

表4　第四象限R50輪廓數據表

2.3程序編制

整理所有點數據，得出該截面的加工程序(見表5)。

表5　截面加工程序

續表

2.4程序說明

1)本程序為輪廓截面的最終精加工程序，對余量較大的輪廓，在不能一次走刀完成加工時，可以通過修改X方向刀補，分幾次走刀或用變量編程修改坐標系偏置等方法實現。

2)當截面輪廓加工完成后需要加工端面時，可以通過修改X方向刀補，分幾次走刀或用變量編程修改坐標系偏置等方法實現。

3刀具角度的選擇計算

3.1刀具后角計算的數學原理

根據數學原理可以推出刀具后角的計算公式為：

式中，α0是刀具后角；f(x)是截面輪廓在以回轉中心為原點，所取輪廓上第1點為平面直角坐標系X軸上的點的數學表達式。

3.2刀具后角的確定

本實例中輪廓由多段曲線組成，輪廓的數學表達式比較復雜，運用數學方法計算較繁瑣，可根據實際加工經驗判斷出刀具的最小后角應滿足加工Pα0點時刀具后角不發生干涉。本實例中刀具的最小后角應在P點附近(見圖7)，采用軟件作圖法在P點及該點輪廓附近畫圖，找出最小刀具后角為：∠DPB=19.11°。

圖7　最小刀具后角圖

4應用拓展

1)通過該實例的編程分析，詳細闡述了一般非圓截面在普通數控車床上的車削加工的通用方法，為同行提供了一種非圓截面的車削加工思路，幾種常見非圓截面類型(見圖8)在選擇合適的刀具角度的情況下，都可以運用該方法實現加工。

圖8　常見非圓截面

2)在選擇輪廓的回轉中心線時應盡量使直徑的變化量最小，可以使X軸的往復運動盡量趨于平緩，減小加工過程中對機床X軸的沖擊。

3)在運用該方法加工內孔時，應注意進退刀時刀具與內輪廓的干涉。

5結語

通過上述分析，可以得出以下結論。

1)本文針對非圓截面車削加工，以阿基米德螺旋線凸輪的加工為例，提出了基于普通車床連續螺紋插補功能的車削的新方法。

2)通過降低主軸轉速及提高編程計算精度來提高輪廓的加工精度。針對非圓零件車削加工進行了詳細編程，對關鍵點位的向心角及螺距進行了計算，并利用修改刀補、多次走刀或用變量編程偏置坐標系等方法實現了加工精度的提高。

3)將理論計算法與軟件作圖法進行結合，確定了刀具的最小后角為∠DPB=19.11°。

4)經實際生產驗證，該方法可實現如多邊形、橢圓形和螺旋線形等非圓截面的加工，有效地擴大了數控車床的使用范圍，增加了工藝選擇的靈活性。

參考文獻

[1] Fitzpatrick M. 機械加工技術[M].卜遲武，等譯.北京：科學出版社，2008.

[2] 《機械設計手冊》聯合編寫組編.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1982.

責任編輯馬彤

A Novel Non-circular Cross-section Processing Technology based on CNC Lathes

MENG Qingjin， YIN Hao， YUAN Jiayi

(Institute of Mechanical Manufacturing Technique， China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China)

Abstract：CNC milling, copying milling and wire cutting technology are mainly applied in the processing of the non-circular cross-section components. A novel noncircular turning method is proposed based on screw thread interpolation algorithm of CNC lathes. The machining principle and NC programming method are introduced in detail through the Archimede’s spiral cam turning. The optimized parameters of cutting tools are calculated, and the value of minimum base clearance is analyzed. The machining range of the CNC lathes is enlarged with the usage of the non-circular cutting method.

Key words:Archimede’s spiral cam, non-circular cutting, screw thread interpolation

收稿日期：2015-09-18

作者簡介：孟慶津(1988-)，男，數控車工高級技師，主要從事數控加工及數控加工工藝等方面的研究。

中圖分類號：TG 659

文獻標志碼:B