一種特殊零件的數控編程與加工

2011-01-07 05:37:16伍小建

裝備制造技術 2011年5期

伍小建

（廣東省梅州市高級技工學校，廣東梅州514071）

在某市舉行的數控車工技能競賽中，有一個特殊零件（如圖1）需要加工（采用手工編程）。

圖1 技能競賽中特殊零件

加工這個零件有一定的難度，主要有如下問題需要解決：

（1）確定加工工藝；

（2）旋轉正弦曲線如何編程；

（3）保證總長尺寸精度及平行度。

1 加工工藝

比賽現場提供的毛坯中有一根為Φ50 mm×100 mm的45鋼棒料，供圖1零件與另一個長度為72 mm的零件合用。從結構、精度、效率和現場條件等方面考慮，圖1零件不宜采取車好一頭后調頭裝夾車另一頭的方法，故采取如下加工工藝：

（1）用三爪卡盤夾Φ50 mm×100 mm的棒料，伸出長度為28～30 mm；

（2）用Φ22 mm的麻花鉆鉆孔；

（3）車外圓（正弦曲線）及右端面；

（4）車內孔；

（5）用內尖刀在總長20 mm末端預先車出內倒角；

（6）把工件切斷，保證總長（20±0.02）mm及平行度。

2 旋轉正弦曲線的編程

2.1 非圓曲線手工編程難點的原因

非圓曲線用CAM軟件進行自動編程相對簡單一些，但在絕大多數情況下，數控車床主要還是依靠手工編程。非圓曲線的手工編程，是數控編程中的難點，主要原因有：

（1）數控系統本身不存在加工非圓曲線的指令，要用許多微小的直線段來逼近非圓曲線輪廓，要編制宏程序，要熟悉數學計算，使用循環語句或條件轉移語句等，進行變量編程。

（2）要熟悉參數變化及其相互關系。程序中的參數如選取不當，很容易產生過切或欠切等現象，甚至造成工件報廢。

（3）為了保證加工精度，精車需要選取較小的步距，并進行刀尖圓弧半徑補償。但步距過小（即線段過短），又無法進行半徑補償；步距過大，則擬合誤差過大；而加工中能夠執行的最小步距，又與刀尖圓弧半徑的大小有關。因此要根據實際情況合理選取步距。

2.2 旋轉正弦曲線編程難的原因

如果非圓曲線的軸線與數控車床Z軸（或X軸）平行（如本零件中的32 mm×20 mm橢圓），則難度還不是很大，這里就不再敘述。而本零件中的正弦曲線軸線與數控車床Z軸呈一定夾角（即旋轉了一個角度），編程難度大大增加，原因除了上述幾點之外，還有下列兩點：

（1）常用的車床數控系統沒有坐標旋轉指令。

（2）非圓曲線旋轉后數學計算更加復雜。

2.3 計算和編程方法

如圖2，先以本零件正弦曲線起點O1為原點建立一個直角坐標系X'O1Z'，坐標系的O1Z'與正弦曲線的軸線重合。

圖2 旋轉正弦曲線的坐標

正弦曲線參數為t，起點t為零。正弦曲線上任一點 P到 O1X′的距離為 B'P，到 O1Z'的距離為A'P。根據正弦曲線的參數方程，P在X′O1Z'坐標系中坐標值的計算公式為

X'=A'P=O1B'=1.5 sin t

Z'=B'P=O1A'=16 t/360°

（t為0°～-360°范圍內的任一角度）

再以O1為原點建立一個與數控車床坐標系平行的坐標系X1O1Z1，該坐標系相當于X'O1Z′坐標系繞原點O1逆時針旋轉10°。正弦曲線中任一點P到O1X1的距離為BP，到O1Z1的距離為AP，P在X1O1Z1坐標系中坐標值的計算公式為

X1=O1B=AP=AD+DP=CA'+DP

=O1A'sin（-10°）+A'P cos（-10°）

=Z'sin（-10°）+X'cos（-10°）

=16 t/360°sin（-10°）+1.5 sin t cos（-10°）

Z1=BP=O1A=O1C-AC=O1C-DA'

=O1A'cos（-10°）-A'P sin（-10°）

=Z'cos（-10°）-X'sin（-10°）

=16 t/360°cos（-10°）-1.5 sin t sin（-10°）

而數控加工時，以工件右端面中心點為原點，由圖1可知，正弦曲線起點O1在工件坐標系中的坐標值為

X=40（直徑編程）

Z=16 cos(-10°)-20

=-4.243

故正弦曲線上任一點在工件坐標系中的坐標值為

X=2 X1+40（直徑編程）

=2[16 t/360°sin（-10°）+1.5sin t

cos（-10°）]+40

Z=Z1-4.243

=16 t/360°cos（-10°）-1.5 sin t sin（-10°）

-4.243

根據上述計算，編制旋轉正弦曲線的加工程序如下（FANUC 0i系統）：

O0011；（程序號）

T0202 G00 X100 Z100；（選擇2號刀，即外圓尖刀VBMT160404 HQTN60，快速定位在X100 Z100處）

M03 S900；（主軸正轉，900 r/min）

M08；（冷卻液開）

G00 X52 Z2；（刀具快進至 X52 Z2處）

G73 U5.5 W0 R5；（用G73指令進行粗車循環）

G73 P1 Q3 U0.8 F0.12；（粗加工 N1—N3段程序，X方向留精車余量0.8 mm）

N1 G00 X40；（輪廓第一段程序）

G01 Z-3.5 F0.08；（直線插補至Z-3.5處）

#1=0（變量#1賦初值0，即起點處t=0°）

N2#2=1.5*SIN[#1]；[變量#2為正弦曲線在坐標系X'O1Z'中的X'值（半徑）]

#3=16*#1/360；（變量#3為正弦曲線在坐標系X'O1Z'中的 Z'值）

#4=#3*SIN[-10]+#2*COS[-10]；[變量 #4 為正弦曲線在坐標系X1O1Z1中的X1值（半徑）]

#5=#3*COS[-10]-#2*SIN[-10]；（變量 #5 為正弦曲線在坐標系X1O1Z1中的Z1值）

#6=2*#4+40；[變量#6為正弦曲線在工件坐標系中的X值（直徑）]

#7=#5-4.243；（變量#7為正弦曲線在工件坐標系中的Z值）

G01 X#6 Z#7 F0.08；（直線插補至 X#6 Z#7 處，用微小直線段逼近正弦曲線進行加工）

#1=#1-1.8；（#1步距為1.8，即正弦曲線參數t值每循環一次減少1.8°）

IF[#1 GE-360]GOTO 2；（如果#1≥ -360時，則返回N2程序段，繼續循環；否則執行后面程序段）

G01 W-4；（車切斷部位外圓）

N3 G00 X50;（輪廓最后一段程序）

G00 X55 Z5；（快速退刀至 X55 Z5處）

S1500；（主軸轉速 1500r/min）

G42 G00 X52 Z2；（刀具快進至X52 Z2處，并用G42指令進行刀尖圓弧半徑補償）

G70 P1 Q3；（用G70指令精車N1—N3段程序確定的輪廓）

G40 G00 X100 Z100；（快速退刀至 X100 Z 100處，并用G40指令取消刀尖圓弧半徑補償）

M30；（程序結束）

外圓刀VBMT160404 HQ TN60的刀尖圓弧半徑為R0.4，在采用刀尖圓弧半徑補償的情況下，正弦曲線參數變量#1的步距取1.8，能保證比較高的擬合精度。

數控系統的G73等粗車循環指令不執行G41、G42刀尖圓弧半徑補償（G70精車指令才執行），故程序中精車余量不能過小，以免粗車過切而造成精車時正弦曲線與外圓刀副偏角對應的一側無加工余量。這里余量取0.8 mm是比較合適的。

3 切斷取總長及防碰傷

這個零件本身沒有合適的裝夾部位，且零件兩端面平行度公差為0.015 mm，在沒有軟卡爪或專用夾具的情況下，不宜采取車好一頭后調頭裝夾車另一頭的方法，所以采取切斷時取總長的工藝，既保證精度，又提高效率。但本零件的總長公差為0.04 mm，要求比較高，切斷刀Z軸方向的對刀和切斷程序的編制至關重要。由于取總長是通過切斷刀右刀位點的切削來保證的，為了減小對刀和測量誤差，并避免Z軸反向間隙的影響，采取如下方法：

選取刀寬3 mm、刃口鋒利的切斷刀，準備一個平面度較好（有一面即可）的墊塊。對刀時，一手將墊塊平面度較好的一面壓在工件右端面上，一手搖操作面板手輪，使切斷刀從Z軸的負方向往正方向移動（消除反向間隙），右刀尖輕輕碰到墊塊左端面即停止（如圖3）。刀具在Z軸方向不動，在刀偏中輸入“Z0”，按“測量”按鈕，即完成切斷刀Z軸方向的精確對刀。