東北大學(xué)工程訓(xùn)練中心 （沈陽 110004） 張立君 張樹軍 劉春城 劉 悅 張國斌

圖1的繩輪，材料為Q235鋼，毛坯尺寸分別為φ160mm×35mm，等離子切割成形。圖2所示的凸輪，材料為45鋼，φ85mm×25mm冷軋棒料鋸割成形，加工數(shù)量均為30件。其工件的圓弧輪廓在普通車床上使用雙手控制加工，加工效率低、圓弧形狀和尺寸不易保證。使用樣板刀（或稱為成形車刀）加工，刀尖的圓弧半徑與繩輪的圓弧半徑一致，加工時，直接徑向切削，由于刀頭較寬，會產(chǎn)生較大的徑向切削力，并且產(chǎn)生振動，使圓弧的表面質(zhì)量受到影響，刀具刃磨技術(shù)要求高。在數(shù)控車床上加工圓弧時，使用下列形狀的刀具：尖刀、直刃切刀，會發(fā)生刀具與圓弧干涉，出現(xiàn)圓弧過切或欠切問題，使用偏刀，需要使用兩把刀具，不僅編程復(fù)雜，還會出現(xiàn)接刀痕跡，這是圖樣不允許的。只能使用圓弧車刀加工，使用樣板刀同樣會產(chǎn)生較大的徑向切削力，并且產(chǎn)生振動，使圓弧的表面質(zhì)量受到影響。使用較小半徑的圓弧刀切削，若不考慮刀尖圓弧半徑補(bǔ)償，加工凹圓弧時，會使加工后的圓弧半徑變大；加工凸圓弧時，會使加工后的圓弧半徑變小。使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令時，需要考慮刀具刀尖半徑補(bǔ)償?shù)奈恢煤脱a(bǔ)償?shù)臅r機(jī)，否則將會出現(xiàn)報警或過切、欠切的現(xiàn)象。因此使用刀頭半徑適宜的圓弧成形刀進(jìn)行該工件的加工時，需要正確使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令、選擇適當(dāng)?shù)木幊谭椒?、適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法、補(bǔ)償?shù)奈恢茫拍芨咝?、穩(wěn)定地完成加工任務(wù)。

由圖示及上述分析，該繩輪和凸輪的加工難點(diǎn)為：①加工圓弧時，刀具選擇不當(dāng)，圓弧形狀和表面粗糙度難以保證。②使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令，補(bǔ)償?shù)奈恢缅e誤時，系統(tǒng)會報警。③手工編寫合理簡潔的程序比較困難。④加工圓弧時裝夾可靠性差，制定合理的裝夾工藝是編寫正確程序的基礎(chǔ)。

圖1

圖2

1.數(shù)控車床的刀尖半徑補(bǔ)償說明

刀具半徑補(bǔ)償?shù)倪^程分為三步：第一，刀補(bǔ)的建立。刀補(bǔ)的建立是指刀具從起點(diǎn)接近工件時，車刀圓弧刃的圓心從與編程軌跡重合過渡到編程軌跡偏離一個偏置量的過程，該過程必須與G00或G01指令一起使用才有效。第二，刀補(bǔ)的進(jìn)行。執(zhí)行有G41、G42指令的程序段后，刀具中心始終與編程軌跡相距一個偏置量。第三，刀補(bǔ)的取消。刀具離開工件，刀具中心軌跡要過渡到與編程重合的過程。

車削時進(jìn)行刀尖半徑補(bǔ)償?shù)淖⒁馐马?xiàng)（以DASEN-3i系統(tǒng)為例）：

（1）在進(jìn)行刀尖圓弧半徑補(bǔ)償時，程序中有下列指令時，系統(tǒng)將報警：①G17 G19(補(bǔ)償中的平面與指定的平面不同時)。②復(fù)合指令G74 G75 G76。③刀具半徑補(bǔ)償指令的建立與取消的程序有G02、G03圓弧插補(bǔ)指令時。④在處理干涉單節(jié)程序中，有一個單節(jié)程序執(zhí)行跳步時，交點(diǎn)無法求出。⑤預(yù)讀了有錯誤的單節(jié)程序時。⑥在無干涉回避情況下有干涉產(chǎn)生時。⑦在沒有刀具半徑補(bǔ)償功能下指定刀具半徑補(bǔ)償時。

（2）確定刀尖進(jìn)行圓弧半徑補(bǔ)償時需要考慮以下幾個問題： ①刀尖半徑應(yīng)該適宜，應(yīng)該不大于加工圓弧。切削凹圓時，為了避免過切和編程出錯，刀尖半徑R最好小于凹圓圓弧半徑的一半。②切削凹圓時，確定合適的補(bǔ)償距離（建立刀尖圓弧半徑補(bǔ)償?shù)淖鴺?biāo)應(yīng)該不小于工件坐標(biāo)+2倍刀尖半徑R）。③清楚刀具的車削軌跡，以便確定刀尖刀沿的位置，加工上述工件使用的是前置刀架的數(shù)控車床，因而，使用G42刀尖圓弧半徑右補(bǔ)償，使用8號刀沿位置。④車削凹圓時，取消補(bǔ)償?shù)奈恢煤蜁r機(jī)（避免發(fā)生碰撞）。⑤采用切線切入或法線切入方式建立或取消刀補(bǔ)。對于不便于采用沿上述兩種方式時，可根據(jù)情況增加一個輔助程序段。⑥為了防止刀具在刀具半徑補(bǔ)償建立與取消過程中產(chǎn)生過切現(xiàn)象，程序段的起始與終點(diǎn)位置最好與補(bǔ)償方向在同一側(cè)（車削凹圓時，該點(diǎn)最好在圓弧內(nèi)側(cè)）。⑦在刀具補(bǔ)償?shù)某绦蚨蝺?nèi)，在補(bǔ)償平面內(nèi)一般不允許存在連續(xù)兩段以上的非移動指令，否則刀具也會產(chǎn)生過切現(xiàn)象。補(bǔ)償平面非移動指令通常指：僅有G、M、S、F、T指令的程序段（如G90 M05）及程序暫停程序段（如：G04 X2.）。⑧在調(diào)用新的刀具前，必須取消刀補(bǔ)補(bǔ)償，否則會報警。

加工該繩輪時刀具進(jìn)行圓弧半徑補(bǔ)償?shù)能壽E見圖3。

（3）走刀軌跡說明：粗車刀從換刀點(diǎn)P快進(jìn)至子程序循環(huán)點(diǎn)（編程點(diǎn)A，刀尖圓心點(diǎn)B），經(jīng)過6次粗車刀具從C（編程點(diǎn)）、D（刀尖圓心點(diǎn)），快退至O點(diǎn)（過渡點(diǎn)），從此點(diǎn)退至換刀點(diǎn)P換精車刀，精車刀快進(jìn)至精車起點(diǎn)（編程點(diǎn)E，刀尖圓心點(diǎn)F），進(jìn)刀直線精車右側(cè)面，精車圓弧，直線精車左側(cè)面至G（編程點(diǎn)）、H（刀尖圓心點(diǎn)），快退至O點(diǎn)，從此退至換刀點(diǎn)，程序結(jié)束。

圖3

2.工件的加工方案——以繩輪為例

在數(shù)控機(jī)床上加工工件，合理的加工方案的確定是正確編寫程序的基礎(chǔ)，而方案的確定是以如何保證加工精度，提高生產(chǎn)效率，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床優(yōu)勢為原則的。繩輪工件的方案需要裝夾三次。第一次： 首先采用自定心卡盤裝夾1/3毛坯長度，加工繩輪右端面φ50mm臺階，繩輪大徑車至φ151mm。第二次：掉頭裝夾φ151mm處，加工繩輪左端面φ50mm臺階，保證工件長度30mm，繩輪大徑車至φ151mm，鉆中心孔，使用φ28mm鉆頭鉆孔，最后精車φ30mm孔。轉(zhuǎn)序由數(shù)控線切割機(jī)床或插齒機(jī)加工鍵槽。第三次：單動卡盤裝夾找正加工好的心軸，壓入方鍵，將繩輪裝入心軸，旋緊螺母。加工繩輪外徑至尺寸，兩端倒角；換圓弧粗車刀粗車圓弧，留余量0.2mm，換圓弧精車刀，精車圓弧。凸輪也參考繩輪的加工方案。

3.刀具的材料、結(jié)構(gòu)與幾何形狀

加工這兩種圓弧，選擇刀具十分關(guān)鍵，材料選擇不當(dāng)，不僅影響效率，在刀具磨損后，將影響圓弧的表面粗糙度和形狀。使用機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀時，要選擇刀頭長度大于繩輪槽深和凸輪高度的刀桿，以避免刀桿與圓弧發(fā)生干涉。使用YT15硬質(zhì)合金材料焊接式車刀加工圓弧，刀具刃磨和切削時刀具易崩刃。為了減少刀刃崩刃，建議不使用YT 類硬質(zhì)合金材料。根據(jù)工件加工時切削速度較低，在數(shù)控車床上可以連續(xù)充分使用切削液的實(shí)際情況，使得切削熱對刀具的影響大大降低，刀具的硬度和耐熱性可以作為次要衡量指標(biāo)，韌性（抗彎強(qiáng)度）作為首要指標(biāo)。刀頭材料可以選用鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金YT5；鎢鈷類硬質(zhì)合金YG6、YG8或鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金YW1、YW2類材料。條件允許時，可以廣泛使用細(xì)晶?；虺?xì)晶粒的硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金。根據(jù)這兩個工件的加工數(shù)量和精度要求，使用兩把刀加工圓弧，其車刀圓弧半徑要適宜，刀頭半徑太小強(qiáng)度低，刀頭半徑太大徑向切削力大易振動，并且易過切和報警，刀頭半徑可以選R=3!4mm。刀具結(jié)構(gòu)可以是機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀或焊接式車刀，機(jī)夾可轉(zhuǎn)位成形車刀可以使用涂層硬質(zhì)合金刀片，刀片型號為R型。焊接式車刀由60°螺紋車刀手工刃磨成形，條件允許，可以使用數(shù)控線切割機(jī)床，將刀頭切割成形，再用油石研磨，降低切削刃的表面粗糙度值。實(shí)際加工時選擇的刀具材料為YW硬質(zhì)合金焊接式車刀，粗車刀使用YW2，精車刀使用YW1。圓弧刀的形狀及結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4

4.切削用量的選擇（以繩輪為例）

粗車：工件轉(zhuǎn)速n=150r/min；進(jìn)給量f=0.2mm/r；背吃刀量ap=4mm。

精車：工件轉(zhuǎn)速n=200r/min；進(jìn)給量f=0.1mm/r；背吃刀量ap=0.2mm；

5.繩輪工件的裝夾方法

為了提高裝夾剛度，圓弧加工前，φ30mm孔及鍵槽已加工完畢，采用圓柱心軸（見圖5）裝夾，不僅提高了裝夾可靠性，也能保證孔與圓弧的同軸度要求。凸輪的裝夾也可以參照繩輪的裝夾方法。

圖5

6.加工程序

加工這兩個圓弧，需要多次走刀，使用一般的編程方法，編程工作量大、程序內(nèi)容多且易出現(xiàn)錯誤，但是坐標(biāo)容易計算和判斷。也可以使用調(diào)用子程序方式進(jìn)行粗車，能夠減少編程內(nèi)容，但是需要準(zhǔn)確計算出補(bǔ)償?shù)奈恢米鴺?biāo)，否則會出現(xiàn)圓弧小徑尺寸超差、切削軌跡出現(xiàn)錯誤、報警等問題。

繩輪采用調(diào)用子程序的編程方法如下（數(shù)控系統(tǒng)為DASEN-3i）：

凸輪采用調(diào)用子程序的編程方法如下（數(shù)控系統(tǒng)為DASEN-3i）：

7.結(jié)語

在數(shù)控車床上加工工件，使用刀尖圓弧半徑補(bǔ)償指令時，因?yàn)檠a(bǔ)償?shù)臅r機(jī)和位置很難確定，在模擬仿真過程中是否過切不易判斷，導(dǎo)致實(shí)際加工時，出現(xiàn)工件輪廓錯誤。需要選擇刀頭半徑合適的車刀，選擇補(bǔ)償?shù)奈恢茫屑?xì)仿真和校驗(yàn)程序并進(jìn)行試切。