垂直圓柱相貫外形的宏程序加工探索

王鋒強(qiáng)，王 濤

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

隨著航空制造業(yè)的發(fā)展，具有曲面外形的零件越來(lái)越多，如何成組化提高加工質(zhì)量和加工效率，已成為企業(yè)生產(chǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際加工總結(jié)，本文就垂直圓柱相貫外形的宏程序加工進(jìn)行了分析研究。

1 模型簡(jiǎn)介

1.1 零件建模分析

相貫圓柱類外形在航空產(chǎn)品零件中較為常見(jiàn)，其大小不等，形態(tài)各異，但其本身可簡(jiǎn)化為2個(gè)直徑相同或不同的圓柱體相貫在一起的結(jié)構(gòu)[1]。圖1所示為垂直圓柱相貫外形的三維模型及該類外形各相關(guān)尺寸的設(shè)置，R沿周處及其周圍區(qū)域即為需要加工的圓柱相貫外形。

機(jī)械加工過(guò)程中，具有相貫外形零件的加工流程(見(jiàn)圖2)如下：車削加工零件Φ或Ψ圓柱外形，去除其余大余量，最終清根精加工相貫部分。

1.2 相關(guān)尺寸計(jì)算

在數(shù)控加工中，CAM軟件在編制數(shù)控程序時(shí)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置自動(dòng)計(jì)算加工精度，保證零件表面加工質(zhì)量，而使用宏程序加工則需根據(jù)其數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)圖3)來(lái)計(jì)算其加工精度。在根據(jù)刀具動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理推算曲面的數(shù)學(xué)關(guān)系的同時(shí)，還需推導(dǎo)刀具動(dòng)態(tài)補(bǔ)償殘余高度的算法和刀具動(dòng)態(tài)補(bǔ)償虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)[2]。

1.2.1 數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算

圖1中所需加工部分為兩圓柱相貫所形成的空間曲面R(沿周)，為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系，可按圖3建立坐標(biāo)系，以兩圓柱軸線交點(diǎn)為程序原點(diǎn)，設(shè)大圓半徑為R，小圓半徑為r。刀具動(dòng)態(tài)加工切點(diǎn)在YZ平面內(nèi)，切點(diǎn)R圓心連線與r軸線夾角為α；在XY平面內(nèi)，切點(diǎn)r圓心連線與R軸線夾角為θ。相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算[3]如下。

在俯視圖XY平面內(nèi)，X、Y坐標(biāo)為：

X=rcosθ

Y=rsinθ

(1)

在左視圖YZ平面內(nèi)，Y、Z坐標(biāo)為：

Z=Rcosα

Y=Rsinα

(2)

根據(jù)圖3所示幾何關(guān)系可得：

Y=rsinθ=Rsinα

(3)

由R2=Z2+Y2可得：

(4)

1.2.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償計(jì)算

根據(jù)零件加工質(zhì)量要求，需要反推計(jì)算加工中刀具動(dòng)態(tài)補(bǔ)償步距角[4]。例如：按圖1中零件表面粗糙度要求Ra3.2 μm，根據(jù)表面粗糙度定義，可創(chuàng)建表面粗糙度與步距角間的相互關(guān)系(見(jiàn)圖4)。在銑削加工中，刀具所走過(guò)的圓弧路徑均由小段直線段組成，所以可近似認(rèn)為表面粗糙度是刀具所走直線段為弦的弧的高度差(3.2 μm=0.003 2 mm)。而在圖3中，XY平面內(nèi)弧半徑即為小圓半徑r值，由圖4可得：

H=r-0.003 2

(5)

Δθ=2β

因此，Δθ=2β=2arcos(1-0.003 2/r)，由此可得步距角變量值Δθ的準(zhǔn)確值。

在圖3中，YZ平面內(nèi)弧半徑即為大圓半徑R值，同理參照?qǐng)D4可得：

H=R-0.003 2

(6)

Δα=2β

因此，Δα=2β=2arcos(1-0.003 2/R)，由此可得步距角變量值Δα的準(zhǔn)確值。

由Δθ、Δα的計(jì)算式可知，當(dāng)rΔα，所以在確定步距角時(shí)，可直接選取Δα，即可保證零件表面要求。

2 程序編寫

2.1 加工刀具選用

在宏程序加工相貫空間曲面時(shí)，需要保證圓角R值，該R為刀具切削所得，因此所選用銑刀刀尖半徑應(yīng)與R尺寸一致。同時(shí)在加工過(guò)程中，由于刀具切削路徑是空間曲線，為了防止刀具底刃扎刀、干涉、過(guò)切等問(wèn)題，需要選用球頭銑刀，所以根據(jù)所加工零件尺寸要求，可確定加工刀具為R的球頭刀[5]。

2.2 加工路徑選擇

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，加工時(shí)銑削路徑可以在XZ平面內(nèi)Z軸向分層或在XY平面內(nèi)X徑向分層(見(jiàn)圖5)。

很顯然，在用球頭刀加工時(shí)，Z軸向分層切削最終在零件根部會(huì)存在殘余，需要進(jìn)一步清根處理；而X徑向分層切削則不會(huì)存在這種情況[6]。因此，X徑向分層是理想的加工路徑。

2.3 宏程序編制

根據(jù)上述分析及計(jì)算，以Fanuc 0i系統(tǒng)為例，加工宏程序編制[7]如下：

O0001 (程序編號(hào))

#1=__ (上端小圓柱加工前毛坯半徑r賦值)

#2=__ (下端大圓柱半徑R賦值)

#3=__ (步距角θ起始角度賦值)

#7=__ (切削刀具直徑)

#8=#7/2 (切削刀具半徑)

#4=COS#3*[#1+#8] (X軸坐標(biāo))

#5=sin#3*[#1+#8] (Y軸坐標(biāo) )

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5] (Z軸坐標(biāo) )

#9=__ (上端小圓柱最終半徑r賦值)

T3 M6 (調(diào)取加工刀具)

G0 G90 G54 X[#1+#7] Y0 S3000 M3 (程序開(kāi)始，定位于G54安全高度)

G0 G43 H3 Z[#2+10] (快速走到Z向加工高度并加刀長(zhǎng)補(bǔ)償)

G01 Z#2 F1000 (直線進(jìn)刀至大圓柱上端面)

N4 #3=0 (定義子程序4，并給步距角θ重新歸零)

G01 X[#1+#8] F200 (直線切削進(jìn)刀至小圓柱右端面)

N1 G01 X#4 Y#5 Z[#6-#8] (定義子程序1，并按點(diǎn)位三軸聯(lián)動(dòng)直線切削進(jìn)刀)

IF [#3EQ360] GOTO2 (判斷步距角θ≤360°時(shí)，執(zhí)行子程序2)

#3=#3+0.5(Δθ) (給步距角#3自加，重新賦值)

#4=COS#3*[#1+#8] (重新計(jì)算X軸坐標(biāo))

#5=sin#3*[#1+#8] (重新計(jì)算Y軸坐標(biāo))

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5] (重新計(jì)算Z軸坐標(biāo))

GOTO1 (調(diào)用子程序1)

N2 IF [#1LE#9] GOTO3 (定義子程序2，判斷r，若成立，則調(diào)用子程序3)

#1=#1-0.1(Δr) (X徑向分層，半徑r自減，重新賦值)

GOTO4 (調(diào)用子程序4)

N3 G0 Z200 G40 (定義子程序3，退刀)

M30 (程序結(jié)束)

注：程序中的步距角變量Δθ可由零件表面粗糙度值、R尺寸要求，通過(guò)下式計(jì)算得到：

(7)

同時(shí)為了防止計(jì)算余數(shù)問(wèn)題，半徑變量必須可以被半徑余量尺寸整除，即Δr=(#1-#9)/n。

該宏程序適用于加工中心，可完成垂直圓柱相貫外形的加工，而對(duì)于不同尺寸的相貫外形，只需更改宏程序中r、R、刀具直徑等參數(shù)即可進(jìn)行加工[8]。

3 實(shí)例分析

3.1 零件分析

某航空產(chǎn)品零件的三維模型如圖6所示。

3.2 參數(shù)計(jì)算

根據(jù)零件尺寸要求，上述零件對(duì)應(yīng)宏程序中各參數(shù)如下：1)加工前毛坯半徑r=34.55 mm；2)下端大圓柱半徑R=72.9 mm；3)步距角起始角度θ=0°；4)上端小圓柱最終半徑r=25.95 mm；5)圓角半徑為R4，刀具選用φ8球頭銑刀；6)Δθ=2arcos(1-0.003 2/R)≈1.1°，為保證Ra3.2 μm表面粗糙度，可令Δθ=1°；7)Δr=(#1-#9)/n=8.6/n，令n為整數(shù)43，可得Δr=0.2 mm[9]。

將上述各參數(shù)代入宏程序中，可得程序如下(坐標(biāo)原點(diǎn)為兩圓柱軸線相交中心)。

O0001

#1=34.5

#2=72.9

#3=0

#7=8

#8=#7/2

#4=COS#3*[#1+#8]

#5=sin#3*[#1+#8]

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5]

#9=25.95

T3 M6

G0 G90 G54 X[#1+#7] Y0 S3000 M3

G0 G43 H3 Z[#2+10]

G01 Z#2 F1000

N4 #3=0

G01 X[#1+#8] F2000

N1 G01 X#4 Y#5 Z[#6-#8]

IF [#3EQ360] GOTO2

#3=#3+1

#4=COS#3*[#1+#8]

#5=sin#3*[#1+#8]

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5]

GOTO1

N2 IF [#1LE#9] GOTO3

#1=#1-0.2

GOTO4

N3 G0 Z200 G40

M30

3.3 加工對(duì)比

通過(guò)VERICUT軟件仿真切削，宏程序加工路徑如圖7a所示，X徑向分層切削，路徑規(guī)整，步距角、分層精度均可調(diào)。同時(shí)，通過(guò)CATIA軟件數(shù)控編程，其加工路徑如圖7b所示，分銑面、清根加工，為保證零件尺寸及表面粗糙度應(yīng)使刀路密集，后置形成程序代碼后將無(wú)法手動(dòng)更改，操作性差。

經(jīng)過(guò)實(shí)際切削加工，零件各項(xiàng)尺寸參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，零件表面質(zhì)量較好，高質(zhì)量、高效率地完成了該零件相貫外形的加工。零件實(shí)物加工狀態(tài)如圖8所示。

4 結(jié)語(yǔ)

利用宏程序加工垂直圓柱相貫外形，是一項(xiàng)操作性很強(qiáng)的成組加工技術(shù)，擺脫了空間曲面數(shù)控程序?qū)τ?jì)算機(jī)的依賴。針對(duì)不同零件，在建模后，選取刀具、提取參數(shù)、計(jì)算變量，代入修改宏程序即可進(jìn)行實(shí)際切削[10]。

在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)注意如下2點(diǎn)：1)仔細(xì)分析零件，根據(jù)模型確定不同參數(shù)，合理圓整各項(xiàng)數(shù)值；2)在完成數(shù)控程序修改后，需要根據(jù)實(shí)際加工狀況，明確程序原點(diǎn)、裝夾方式、刀具刀長(zhǎng)等客觀因素，以免出現(xiàn)誤操作。

本文通過(guò)對(duì)垂直圓柱相貫外形曲面建模、參數(shù)選取計(jì)算、加工宏程序的編制及加工實(shí)例分析等方面進(jìn)行了總結(jié)。可以看出，利用宏程序進(jìn)行加工，這種易掌握、易操作、易更改的數(shù)控程序，降低了加工相貫外形的難度和強(qiáng)度，能高質(zhì)高效地完成各種類似零件的加工，為成組化、規(guī)模化加工奠定了基礎(chǔ)。