典型運動機構中含圓弧面零件的工藝設計、編程與加工

李亞平　孟麗霞

【摘 要】本文對典型運動機構-凸輪機構的含圓弧面類零件進行了結構特點分析，運用工藝理論進行了零件工藝設計， 并應用FANUC系統實現圓弧類零件的程序編寫與數控加工。該凸輪機構為運動形式轉換機構，機構將圓弧手柄的旋轉運動轉化為頂桿零件的直線運動，在機構中圓弧類零件手柄十分重要。文中圓弧面類零件的工藝設計、編程與加工，對相關零件工藝設計、編程和加工提供了一定的參考價值。

【關鍵詞】圓弧零件 工藝設計 編程加工

1 引言

運動機構是構成機械的重要組成部分，其主要實現機器動力和運動的傳遞和轉化。圖1所示為一典型運動機構，通過一凸輪的旋轉，實現頂桿的往返運動。該機構組成的零件及部件包括頂桿、橢圓凸輪軸、凸模、凹模、配合件、手柄和連桿等，其中含圓弧面的零件-手柄是數控車削加工的典型加工零件，在一些情況下，為滿足使用要求，經常會碰到外圓弧輪廓的加工。如何制訂含圓弧面零件的數控加工工藝、編制其加工程序成為關鍵。

在圓弧面零件的數控車床加工中，不論是手工編程還是自動編程，都要對加工零件進行工藝分析，并把加工零件的全部工藝過程、工藝參數、刀具參數和切削用量及位移參數等編制成程序，以數字信息的形式存儲在數控系統的存儲器內，控制數控機床進行加工。所以數控加工工藝分析是十分重要的工作，程序員應全面周到地考慮零件加工的全過程，以及正確合理地編制零件的加工程序[1-2]。

本文主要利用典型運動機構的圓弧手柄為例進行外圓弧輪廓車削加工的具體工藝分析，成形手柄零件圖2所示，并在此基礎上運用FANUC系統進行零件的編程和加工。

2 工藝設計

對零件的工藝設計一般包括零件結構特點分析、定位基準選擇、加工階段劃分、定位方法選擇、切削用量選擇、刀、夾、量具選擇等，通過詳細的工藝分析為編程和加工提供方便。以機構成形手柄為例分析含圓弧面零件的工藝設計、編程與加工[1-3]。

2.1 含圓弧面零件的結構工藝分析

（1）含圓弧面零件的結構工藝特點；表面輪廓形狀是曲線，如手柄、圓球等，這些帶有曲線的表面叫做特形面，也叫成型面。（2）含圓弧零件的加工；在普通車床加工可采用雙手控制法、成型刀法、靠模法、專用刀具法等加工方法，但這些方法效率低，加工精度不高，勞動強度大。在數控車床上加工是用圓弧插補指令（G02/G03）編程進行切削，使刀具在指定平面內按指定的進給速度F做圓弧切削運動，切削出圓弧輪廓形狀。也可以運用復雜循環指令G71/G73/G70。對于橢圓或雙曲線的圓弧表面可以采用宏程序編程加工。（3）定位基準選擇；實心的軸類零件，精基準面是頂尖孔，滿足基準重合和基準統一，而對于空心軸，除頂尖孔外還有軸頸外圓表面并且兩者交替使用，互為基準。（4）加工階段劃分；加工階段的劃分依據：基準先行；粗、精分開、先粗后精、多次加工。為改善金相組織和加工性能安排合理的熱處理工序。含圓弧面軸類零件各表面先后加工順序，在很大程度上與定位基準的選擇有關。當零件加工的粗、精基準選定后，加工順序就大致可以確定了。因為各階段開始總是先加工定位基準面，即先行工序必須為后面的工序準備好所用的定位基準。（5）含圓弧面零件的裝夾和定位方法；含圓弧面軸類零件的夾具主要為三爪定心卡盤。（6）切削用量的選擇；切削用量的基本數值應根據所選擇的機床性能、相關手冊并結合實際經驗確定。（7）切削刀具選擇；根據加工曲面特性和加工過程要求選擇不同角度的不同類型的刀具。（8）車圓弧的加工路線分析；數控車床上加工圓弧時，一般需要多次走刀，先將大部分余量切除，最后車出圓弧階梯車削路線。即先粗車成階梯，最后一次走刀精車出圓弧。車圓法切削路線。即先用不同半徑同心圓來車削，最后將所需圓弧加工出來。車錐法切削路線。即先車一個圓錐，再車圓弧。但要注意車錐時起點和終點的確定。

2.2 主要工藝設計過程

（1）所用設備、刀具、夾具設備：FANUC-MateOi數控系統。刀具：1號刀為350外圓偏刀（粗車）；2號刀為300外圓偏刀（精車）；3號刀為切斷刀，刀位點在左刀尖，刀寬為4mm。夾具：對短軸類零件，軸心線為工藝基準。用三爪自定心卡盤夾持 20外圓，使工件伸出卡盤88mm，一次裝夾完成粗、精加工。量具：游標卡尺 0-125mm 外徑千分尺0-25mm 25-50mm。（2）毛坯選擇；采用 20×100的棒料，材料45鋼。（3）加工工序；一、數值計算，以編程原點定在工件右端面的中心線，用AutoCAD/CAXA軟件的測量工具或幾何計算各基點的坐標值。二、工步：設置工件原點：定在工件右端面中心，取1號刀粗車各外表面，并留0.5mm精車余量，用2號刀精車外圓至尺寸要求，退回換刀點，換3號刀并切斷工件。三、切削用量：轉速范圍為500-1600r/min，粗加工切削量為1mm 精加工切削量為0.5mm。（4）加工程序；

（5）運用FANUC數控系統對零件進行加工圖3所示。

3 結語

通過本文含圓弧面零件的工藝設計、編程與加工的探討，了解圓弧面類零件的結構特點、依據其具體結構進行工藝分析設計，并運用FANUC數控系統進行了圓弧類零件的編程和加工。而且任何參數發生變化時，只需要適當進行修改就能使用。該運動機構中的圓弧類零件進行了實際的加工，工藝分析合理，加工編程實用，符合生產實際。

參考文獻：

[1] 霍蘇萍.數控車削加工工藝編程與操作[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2] 姚屏，徐偉.數控車削編程與加工[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3] 李海霞，鄧愛國.數控工藝員考試指南[M].北京：清華大學出版社，2012.

作者簡介：李亞平（1970—），男，山西太原人，研究生，副教授，研究方向：機械設計及數控加工。E-mail：liyp@bitc.edu.cn