鋁型材擠壓模參數(shù)化CNC程序設(shè)計(jì)的深化研究

唐曙光，王興波，步建軍

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東佛山528000)

參數(shù)化CNC 程序俗稱可變數(shù)控程序，演繹于CAD 的參數(shù)化技術(shù)。機(jī)床操作人員可以根據(jù)機(jī)床基準(zhǔn)參數(shù)與加工工藝參數(shù)，簡(jiǎn)單改變程序中的若干形狀與工藝參數(shù)，就能得到所加工工件的具體數(shù)控程序?qū)嵤┘庸ぁ＠脜?shù)化CNC 程序設(shè)計(jì)方法，機(jī)床操作人員就可不經(jīng)CAD/CAM 建模，直接在CNC 機(jī)床上輕松定制出多種零件的加工。宏編程技術(shù)作為一種有效的參數(shù)化技術(shù)，近年來在數(shù)控加工技術(shù)中受到廣泛關(guān)注［1－8］，成為參數(shù)化CNC 的重要表現(xiàn)。

鋁型材結(jié)構(gòu)件種類繁多，形狀各異，其擠壓模具的型腔也表現(xiàn)出多種形狀，基本需要CNC 加工才能得到。廣東佛山作為我國(guó)鋁型材生產(chǎn)的主力地區(qū)，每年都需要大量的鋁型材擠壓模具，其數(shù)控加工業(yè)務(wù)也非常繁忙。為了提高生產(chǎn)效率，諸多鋁型材模具的生產(chǎn)廠家、CNC 設(shè)備生產(chǎn)廠家都積極探討鋁型材擠壓模CNC 程序參數(shù)化的方法。

文獻(xiàn)［9］ 采用幾何與工藝雙匹配的分類方法，將60 種極為常用的鋁型材擠壓上模分為5 類，實(shí)現(xiàn)了一種參數(shù)化。文中探討了優(yōu)化參數(shù)化編程方法，通過分析幾何與拓?fù)潢P(guān)系，將30 種下模歸為1 種模型，僅編寫1 個(gè)宏程序就可以加工全部30 種極為常用的鋁型材擠壓下模。文中的研究進(jìn)一步減少了數(shù)控編程的工作量，也進(jìn)一步減少了相應(yīng)的管理和維護(hù)工作，提高生產(chǎn)效率。

1 基于形狀的分類及其優(yōu)化

圖1 給出了一些典型鋁型材擠壓模下模的型腔形狀圖。從這些形狀可以看出，很多型腔都具有一定的相似性，一個(gè)很自然的想法就是根據(jù)形狀的相似性對(duì)它們進(jìn)行分類后再給每類定制參數(shù)化CNC 程序。這正是文獻(xiàn)［9］的思想和方法，無疑是可行的。但是作者在實(shí)現(xiàn)了文獻(xiàn)［9］ 的方法后發(fā)現(xiàn)，還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。這里介紹相關(guān)內(nèi)容。

圖1 部分鋁型材擠壓下模的型腔圖

1.1 基于形狀相似的初步分類

從直觀上分析，圖1 的型腔可分成7 種形態(tài)，分別如圖2 所示。

圖2 模具圖7 種形態(tài)

直觀看來，每個(gè)型腔大致都是4 條輪廓、5 條輪廓均勻分布組成。再觀察細(xì)分每條輪廓不難看出，可分為類似三邊形、類似四邊形。其中，類似三邊形又可以分為2 條直邊加1 條弧邊類與3 條直邊組合類;類似四邊形又可以分為3 條直邊加1 條弧邊組合以及4 條直邊組合。此外，無論是類似三邊形還是類似四邊形，邊邊連接處都會(huì)有一個(gè)圓弧進(jìn)行過渡。當(dāng)然，在圖2 中還有一個(gè)比較特殊的圖形，它是個(gè)由4 條直邊組成的類似四邊形加有1 個(gè)標(biāo)識(shí)斜面的輪廓。

基于上述分析，將全部下模分成7 個(gè)類型進(jìn)行CNC 宏編程是不成問題的。文獻(xiàn)［9］正是采用這種分類方法給出了全部上模的參數(shù)化CNC 程序設(shè)計(jì)方法。這里不再贅述。

1.2 優(yōu)化

根據(jù)第1.1 節(jié)的分類，加工圖1 所示的全部下模需要7 個(gè)參數(shù)化CNC 程序包。雖然對(duì)比起未進(jìn)行參數(shù)化以前的CNC 編程工作量大有減小，但從輪廓的復(fù)雜性來看，7 個(gè)參數(shù)化CNC 程序的工作量也不算小。事實(shí)上，第1.1 節(jié)的分類還可以進(jìn)一步優(yōu)化。

通過對(duì)已經(jīng)分類的7 種輪廓再進(jìn)行分析，不難發(fā)現(xiàn)，如果忽略有斜面的類似四直邊四邊形(將斜面單獨(dú)處理)，可將它們大致分為4 類: (1)三直邊類，如圖3 所示;(2)四直邊類，如圖4 所示;(3)三直邊一弧邊類，如圖5 所示;(4)兩直邊一弧類，如圖6 所示。

圖3 三直邊類

圖4 四直邊類

圖5 三直邊一弧邊類

圖6 兩直邊一弧邊類

現(xiàn)在考慮這樣一個(gè)情況，假入將圖4、5 中的X與Y 視作可變的參數(shù)，那么不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圖4 中的X、圖5 中的Y 等于0 時(shí)，則圖4 變成了圖3、圖5 變成了圖6 。因此，前述4 個(gè)分類還可以優(yōu)化成2 個(gè)分類，即圖3 與圖6。

事實(shí)上，圖3 與圖6 還可以進(jìn)一步歸結(jié)為圖3。這事因?yàn)槿魧D6 的弧邊看成是直邊，即將弧邊的弧度角視為0 且半徑無窮大，則圖6 就變成圖3 了。如此一來，圖1 所示的全部下模輪廓，在暫不考慮斜面的情況下，都可以近似看成是圖3。也就是說，只要參數(shù)設(shè)置合理，只需要一個(gè)參數(shù)化CNC 程序就能加工圖1 所示的全部型腔。

2 參數(shù)化CNC 編程技術(shù)

通過前面小節(jié)的分析可知，只要編寫一個(gè)合適的參數(shù)化CNC 程序，就能加工圖1 所示的全部幾十種下模。這里給出具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 刀位軌跡的確定

取圖3 所示的型腔進(jìn)行分析。根據(jù)加工工藝的要求，采用中心旋轉(zhuǎn)下刀、分層遞進(jìn)的進(jìn)刀方式，給出如圖7 所示的路徑歸劃。文獻(xiàn)［9］給出了詳細(xì)的分析，這里不再贅述。

管件安裝的方向一定要正確，管件支管進(jìn)入干管的連接處不是垂直相交，而是一小段圓弧順?biāo)牧飨蜻M(jìn)行連接，這樣才能使支管的水很順暢的流向干管，也就是說消音速流管件安裝要注意圓弧的方向向下，否則將起不到消音速流的效果，反而對(duì)排水起到了反作用。

圖7 刀位軌跡規(guī)劃

2.2 斜面的處理

正如圖1 所示，有些型腔里面帶有斜面。前述參數(shù)化處理忽略了斜面，為此需要單獨(dú)處理。基本思想是:先是按前述刀位軌跡去加工一個(gè)完整的掌子面(截面)后，通過參數(shù)調(diào)整改變下一個(gè)掌子面在斜面處輪廓形狀，即XY 平面的輪廓形狀在每個(gè)Z 向是變化的，具體可根據(jù)每次進(jìn)給的深度按比例變化。變化的數(shù)量以控制斜面精度為原則，既不能把斜面切變成階梯，又要減少工時(shí)。這個(gè)需要將參數(shù)化程序設(shè)計(jì)好后，通過切削試件調(diào)整。

2.3 參數(shù)的確定

參數(shù)的確定是參數(shù)化CNC 程序設(shè)計(jì)的核心。對(duì)前述各技術(shù)要素的分析給出了參數(shù)定義的基礎(chǔ)。事實(shí)上，參數(shù)的確定也不是隨意的，需要作細(xì)致分析;它既要滿足工藝要求，又要易于編程。經(jīng)過大量比較，采用圖8 定義的參數(shù)。

圖8 決定加工輪廓的參數(shù)

對(duì)于斜面部分，給出一個(gè)變量M 實(shí)現(xiàn)計(jì)算，如圖9 所示。全部參數(shù)共9 個(gè)均定義在表1 中。

圖9 計(jì)算斜面的變量

表1 參數(shù)化變量表

2.4 編程計(jì)算的要點(diǎn)

基于上述參數(shù)規(guī)劃，編程計(jì)算有如下要點(diǎn)(以圖10 為對(duì)象的分析)。需要確定點(diǎn)1、2、3、4、5 的坐標(biāo)。

(1)點(diǎn)1。因?yàn)辄c(diǎn)0 到點(diǎn)1 之間的線段是一條橫線，所以點(diǎn)1 的增量坐標(biāo)為:

X=#3/2

Y=0

(2)點(diǎn)2。點(diǎn)1 到點(diǎn)2 之間是一段圓弧，圓弧的角度為A 即#1，半徑為R 即#18，所以點(diǎn)2 的增量坐標(biāo)為:

X=#18·sin［#1］

Y=#18［1－cos［#1］］

圖10 關(guān)鍵點(diǎn)位計(jì)算圖

(3)點(diǎn)3。點(diǎn)2 到點(diǎn)3 的坐標(biāo)是一條斜線，這條斜線的長(zhǎng)度為D 即#7，因?yàn)椤螦 +∠C =90°，又因?yàn)椤螩+∠D=90°，所以∠A=∠D，所以點(diǎn)3 的增量坐標(biāo)為:

X=#7·cos［#1］

Y=#7·sin［#1］

(4)點(diǎn)4。點(diǎn)3 到點(diǎn)4 之間的線段是一條圓弧，半徑為R 即#18，不難看出，∠E = ∠D = ∠A = #1，而∠F=∠B－ ［90－∠A］，所以點(diǎn)4 的增量坐標(biāo)為:

X=－#18·sin［#1］+#18·cos［#2－［90－#1］］

Y=#18·cos［#1］+#18·sin［#2－［90－#1］］

(5)點(diǎn)5。點(diǎn)4 與點(diǎn)5 之間是一段圓弧。鑒于這段圓弧的半徑Rx是可以算出來的，為此需要先算出點(diǎn)4 與點(diǎn)5 之間的那段直線的總長(zhǎng)的1/2 即Lx。Lx為:

Lx=#3/2 +#18·sin［#1］+#7·cos［#1］－#18·sin［#1］+#18·cos［#2－［90－#1］］

因?yàn)椤螱=∠F，所以Rx為:

Rx=Lx/cos∠G

根據(jù)Lx，點(diǎn)5 的增量坐標(biāo)為:

X=－2·Lx=－2·［#3/2 +#18·sin［#1］+ #7·cos［#1］－#18·sin［#1］+#18·cos［#2－［90－#1］］］

Y=0

由于這種類似四邊形是關(guān)于Y 軸對(duì)稱的，所以其他線段始點(diǎn)與終點(diǎn)均按照對(duì)稱處理即可。

2.5 具體編程

文中介紹的參數(shù)化CNC 程序約有500 行代碼。限于篇幅，這里不贅述。有需要的讀者可以跟通信作者王興波教授聯(lián)系索取。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)際加工

為了確保實(shí)際加工的質(zhì)量，事先需要在仿真軟件進(jìn)行加工仿真。作者對(duì)每種加工程序都進(jìn)行了嚴(yán)格仿真并進(jìn)行試切。圖11 是在三菱MP70 調(diào)試的軌跡，圖12 是加工的實(shí)物照片。根據(jù)佛威精密機(jī)器有限公司的大量用戶反映，所開發(fā)的宏包滿足用戶的需求。

圖11 三菱MP70 加工中心顯示的加工軌跡之一

圖12 加工的實(shí)物照片

4 結(jié)束語

利用參數(shù)CNC 編程加工鋁型材擠壓模可減少CAD/CAM 建模環(huán)節(jié)，直接將宏包嵌入在加工中心，方便用戶使用，減少編程工作量，提高數(shù)控加工效率，減少管理成本，增加CNC 機(jī)床附加值。基于對(duì)佛山地區(qū)大量使用的鋁型材擠壓模具的調(diào)研，對(duì)鋁型材擠壓模的數(shù)控加工實(shí)施參數(shù)化CNC 編程并內(nèi)置宏包于各種CNC 加工中心之中，既滿足廣大用戶的需要也提高了CNC 設(shè)備的附加值，是一件很有意義的事情。這項(xiàng)工作不僅適合于鋁型材擠壓模的加工，也適合于其他類似的數(shù)控加工，具有推廣價(jià)值。

［1］李艷華．宏編程技術(shù)探索及其在數(shù)控加工中的應(yīng)用［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(1):142－143．

［2］艾建軍．基于華中世紀(jì)星數(shù)控系統(tǒng)宏程序研究［D］．保定:華北電力大學(xué)(河北)，2009．

［3］呂孝敏．基于宏程序的二次曲線數(shù)控加工［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

［4］吳志光．基于FANUC Oi 系統(tǒng)宏程序在二次曲面銑削加工中的應(yīng)用研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

［5］徐國(guó)權(quán)，陳亞崗．巧用宏程序編程提高加工效率［J］．機(jī)電一體化，2011(15):74－75．

［6］班小強(qiáng)，覃桂全．談宏程序在數(shù)控加工程序中的應(yīng)用［J］．黑龍江科技信息，2011(16):92．

［7］聶穎．宏程序在數(shù)控銑削編程中的應(yīng)用［J］．企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012(19):4－6．

［8］雷剛．?dāng)?shù)控編程中宏程序的應(yīng)用與探討［J］．湖南農(nóng)機(jī)，2012(9):50－51．

［9］WANG Xingbo，BU Jianjun，TANG Shuguang．Parametric CNC Programming for Aluminum Extrusion-moulds［J］．Asia Journal of Engineering and Technology，2014，2(4):109－1180．