黃繼戰(zhàn)， 肖根先

（1.江蘇建筑職業(yè)技術學院，江蘇 徐州 221116；2.徐州市模具新技術工程研究中心，江蘇 徐州221116）

0 引 言

數控機床由于加工精度高、柔性好，在機械制造企業(yè)應用日趨廣泛。立式數控銑床是數控機床中應用較多的品種之一，在機械加工中占有重要的地位。合理地規(guī)劃工藝可有效地提高零件加工質量和數控機床利用率[1]。凸模類零件在生產中廣泛存在，故本文以典型凸模零件為載體，研究凸模零件的數控加工工藝設計及編程，具有重要的現實意義和價值。

1 零件工藝性分析

圖1所示為某凸模零件，毛坯為長方體，外形尺寸為95 mm×95 mm×25 mm，材料45鋼，切削性能較好，單件小批生產，未注表面粗糙度為Ra3.2 μm，未注圓角半徑為R5。由圖1可知，該零件主要由平面、帶拋物線的凸臺外輪廓、傾斜矩形腔、均布三角形槽及孔結構組成，結構較為復雜，具有典型性?？紤]到該零件為單件小批生產，加工內容多且精度要求較高，因此適合采用數控銑床加工。

圖1 零件圖

2 零件工藝路線的擬定

基于零件的工藝性分析，考慮到工序集中、先面后孔及先粗后精的工藝原則，確定該零件工藝路線有6道工序，具體為：1）銑六面。工序內容為采用數控銑床銑毛坯4個側面和上、下平面，保證外形尺寸90 mm×90 mm×20 mm和對面平行、鄰面垂直。2）鉆、擴孔。內容為采用數控銑床在凸模頂面上鉆3-φ3 mm定心孔，鉆3-φ9.9 mm通孔，并擴mm孔，將其孔徑尺寸由φ9.9 mm加工至φ20 mm。3）凸臺拋物線外廓和沉孔加工。內容為粗、精銑凸臺拋物線外廓，以銑代鏜的加工方法半精銑、精銑沉孔4）斜矩形槽和三角形槽加工。內容為粗、精銑斜矩形槽，粗、精銑3個三角形槽。5）鉸孔。內容為機動鉸削兩個通孔。

3 數控加工工序的設計

3.1 數控機床的選擇

根據數控車間現有設備情況和零件毛坯的外形尺寸95 mm×95 mm×25 mm，選擇機床型號為VM600立式數控銑床。

3.2 工件的裝夾

工件的裝夾主要解決零件的定位和夾緊問題，由于該零件生產類型為單件小批，且形狀為長方體，故選擇精密平口鉗裝夾。零件銑五面后裝夾時，其下底面與墊塊接觸，零件后側面與固定鉗口接觸，用活動鉗口夾緊零件，并通過零件中心對刀建立工件坐標系與機床坐標系之間的位置關系。

3.3 刀具的選擇

刀具的選用主要取決于被加工零件的形狀、材料和機床性能[1]。該零件各道工序刀具選擇分析如下：1）銑六面。平面一般采用端銑刀和立銑刀加工，端銑刀用于大平面的銑削，刀材為硬質合金，而立銑刀用于小平面的加工，刀材為高速鋼。由于該零件六平面尺寸較小，因此選擇直徑D16 mm的立銑刀。2）鉆、擴孔。鉆孔類加工為定尺寸加工，即加工孔的直徑與刀具直徑一樣大小。刀具材料選為高速鋼，刀具規(guī)格為鉆中心孔選擇直徑D3 mm的定心鉆，擴孔加工分別選擇直徑D9.9 mm和D20 mm的麻花鉆頭。3）凸臺拋物線外廓和沉孔加工。凸臺外廓由于沒有內凹輪廓，從理論上講選任意大小直徑的刀具加工均可；沉孔的圓形輪廓屬于內凹輪廓，選擇的刀具半徑要求不大于沉孔半徑12.5 mm，并考慮到減少刀具的規(guī)格，粗、精加工均選擇與六面銑同一把刀具。4）斜矩形槽和三角形槽加工。由于斜矩形槽和三角形槽的拐角半徑均為R5 mm，拐角屬于內凹輪廓，因此選擇的刀具直徑要不大于R5 mm；再考慮到斜矩形槽的粗加工走刀路線，如圖2所示，刀具先沿旋轉后的坐標系從P1到P2滿刀加工一刀，建立刀具半徑左補償，再沿矩形輪廓走一圈加工，最后由P2返回到P11,取消刀具半徑左補償，由此可確定該走刀路線加工不留殘料的最小刀具半徑R=矩形槽寬度/6=25/6≈4.17 mm，由此可知，刀具半徑應滿足4.17 mm≤R刀≤5 mm。本設計選擇刀具半徑R5 mm的鍵槽銑刀，鍵槽銑刀的特點是切削底刃過中心點，可直接在實體上Z軸進刀。5）鉸孔。選擇直徑D10 mm鉸刀。

圖2 矩形槽粗銑走刀路線

3.4 切削用量的確定

在數控編程時，編程者必須確定每道工序的切削用量，并以指令的方式編入程序中。切削用量數值合理與否對加工質量、加工效率、生產成本等有著非常重要的影響[2]。根據切削用量的確定原則，銑刀切削用量的確定步驟為：

1）確定背吃刀量。根據工件的材料及工藝系統(tǒng)的剛度來決定[3]。在數控銑床系統(tǒng)剛度允許的條件下，粗加工時應盡可能使背吃刀量與工件的加工余量相等，這樣可提高生產效率；精加工時一般留0.2～0.5 mm精加工余量，且余量均勻，目的是保證加工表面質量。

2）確定主軸轉速。主軸轉速n應根據允許的切削速度vc和刀具直徑d來選擇，其計算公式為：n=1000vc/(πd)（式中：vc表示切削線速度，m/min，依據刀料和工料查切削手冊可得；n表示主軸轉速，r/min；d表示工件或刀具直徑，mm）。由上式計算的主軸轉速n取整作為編程轉速，實際加工時應根據切削狀況調整主軸倍率來修調主軸轉速。

3）確定進給速度。進給速度主要根據零件的加工精度和表面粗糙度要求及刀具、工件的材料性質選取[1]。查切削手冊可得刀具每齒進給量fz，將每齒進給量fz代入公式：vf=z·fz·n（式中：z為齒數；fz為刀具每齒進給量，mm/z；n為主軸轉速，r/min），即得到刀具進給速度，實際加工時應根據切削狀況調整進給倍率開關來調節(jié)進給速度。其余刀具切削用量確定方法與銑刀相類似。

綜上所述，確定切削用量的加工工藝卡如表1所示。

4 零件加工程序的編制

數控加工程序的編制一般經過工件坐標系的建立、走刀路線的設計、基點/節(jié)點坐標的確定和程序代碼的編寫等4個環(huán)節(jié)。文中僅分析與研究編程難點拋物線輪廓的編程，其余不再贅述。拋物線編程方法有自動編程和宏程序編程，鑒于自動編程必須建模且編制的程序冗長、可讀性差、精度控制能力差、柔性差[4]，而宏程序可克服上述缺點，因此確定拋物線采用宏程序編程法。

表1 數控加工工藝卡

4.1 工件坐標系的建立

該零件XY軸零點確定在工件的對稱中心，Z軸零點在零件的上平面，建立的工件坐標系如圖3所示。

圖3 走刀路線圖

4.2 走刀路線的設計

凸臺拋物線輪廓采用G41指令編程，其粗、精加工只需改變刀具半徑補償號D01和切削用量即可，簡化了編程。采用G41指令編程對應的外輪廓走刀路線為順時針，相應的切削方式為順銑，順銑加工能保證加工質量、延長刀具使用壽命，一般優(yōu)先選用，只有在工件有硬皮的情況下才選擇逆銑[5]?？紤]零件加工精度和方便編程，走刀路線的切入切出路徑采用徑向方式。綜上所述，設計的走刀路線為圖3所示的A1→A2→A3→A4→A5→A6→A2→A1。

4.3 基點/節(jié)點坐標的確定

通過CAD查詢法得到：圖3的拋物線外廓走刀路線基點坐標為A1（55，0）、A2（27,0）、A3（27，-30）、A4（-4.5,-30）、A5（3.625,35）、A6（27，35）。

圖3中走刀路線上A4點到A5點為拋物線，其節(jié)點坐標確定的算法如下：由圖1可知，拋物線的焦距P為20,頂點坐標為（-27，0），拋物線方程為y2=f(x)=40×（x+27），這里選取y為自變量，y∈[-30,35]，則x為因變量，由拋物線方程可推得因變量x計算公式為x=f(y)=-27+y2/40。為實現該拋物線的加工，本設計采用等間距法直線段逼近拋物線，即將Y坐標軸劃分成相等的間距Δy，如圖3所示，根據上述方程x=f(y)=-27+y2/40，可由Yi求得Xi，Xi+1=f（Yi+Δy）。如此即可求得一系列節(jié)點坐標值。在粗加工時Δy應取較大值，以提高機床加工效率；精加工時Δ應取較小值，以提高零件表面質量[6]。

4.4 加工程序的編寫

加工程序的編寫即是將上述內容代碼化，編制的參考程序為O0003。粗、精加工時只需修改D01值和切削用量即可，粗加工D01為8.5 mm，精加工D01理論上為R8 mm，實際加工時需根據實測結果來修正。

O0003;（刀具直徑D16 mm）

G17G21G40G49G80;（初始化）G91G28Z0;（刀具Z軸回零）

G54G90G00GX55Y0S500M03;（建立G54工件坐標系，刀具XY平面內快速運動至下刀點，主軸正轉，轉速600 r/min）

G00Z50;（刀具快速運動到Z50）

G00Z5M08;（刀具快速運動到Z5，切削液開）

G01Z-4F50；（刀具切削進給至加工深度Z-4）

G41G01X27Y0D01F80;（建立刀具左補償）

G01XY-30,R10;（刀具切削進給到A5點，采用倒圓指令簡化編程）

X-4.5；（刀具切削進給到A6）

#1=-30;（自變量賦初值-30）

#2=0.05;（自變量遞增值0.05）

#3=20;（拋物線焦距賦值20）

#4=27;（拋物線頂點賦值-27）

WHILE[#1LE35]DO1;（當型循環(huán)判斷語句）

#5=#4+#1*#1*/[2*#3];（計算拋物線動點X坐標值）G01X#1Y#5;（刀具走微小線段擬合拋物線）

#1=#1+#2;（自變量遞增0.05）

END1;（循環(huán)結束符）

G01X27,R10;（刀具切削進給到A6）

G01Y0;（刀具切削進給到A2）

G40G01X55F500;（取消刀具半徑左補償）

G00Z200;（刀具快速運動到Z200）

M30;（程序結束）

5 結 語

在凸模零件工藝分析的基礎上，設計了該零件的數控加工工藝，編制了拋物線輪廓加工程序。將編制的凸模零件加工程序輸入數控銑床后，進行了程序校驗、試加工與優(yōu)化。結果表明，該數控工藝方案正確、合理，程序運行平穩(wěn)，可保證零件加工精度，縮短加工時間，對同類零件的數控加工工藝設計具有借鑒意義。