加工中心中球面加工的刀具路徑優化

熊福意 牛曉莉

摘 要：隨著我國的工業化進程的不斷推進，我國的制造業有了突飛猛進的發展，特別在機械模具方面更如雨后春筍。為此對機械產品提出了高精度、高復雜性的要求，而且產品的更新換代也在加快，這對產品不僅提出了精度和效率的要求，而且也對機床提出了通用性和靈活性的要求。零件加工程序通常是按零件輪廓編制的，而數控機床在加工過程中的控制點是刀具中心，因此在數控加工前數控系統必須將零件輪廓變換成刀具中心的軌跡。如此一來數控機床實際加工輪廓和理想輪廓就有很大的出入，因此我們必須對實際刀具路徑作出分析提出具體優化方案。實際加工中刀具軌跡的合理安排占據著重要地位，因為刀具路徑的合理性直接關系到工件的精度、表面質量及性能。

關鍵詞：球面加工；刀具路徑；宏程序；螺旋插補

0 引言

在實際生產加工中曲面的加工編程往往有自動編程和宏程序手工編程兩種形式。自動編程常常借助于CAD/CAM軟件，由于CAD/CAM軟件構造曲面的底層數學模型所限，也由于CAD/CAM軟件對曲面生成刀具軌跡的逼近原理所限，在執行事實上真正的整圓或圓弧軌跡時，軟件無法智能地判斷，生成的程序并不是G02/GO3指令，而是G01逐點逼近形成的圓。如此一來不但生成的程序指令占據龐大的空間使得機床反應遲鈍，更重要的是由于直線逼近原理會使在造型期間的計算誤差在加工過程中被放大進而影響工件精度及表面質量。本文以典型外球面的曲面手工編程加工為例詳細進行了加工分析，并以實踐方式得以論證。通過詳細實踐操作、詳細分析最終得出加工路徑的合理性對實際加工工件的性能及質量的影響，重要的是加工分析思路，由此可以更大程度影響以后實際加工，并且對于數控教學也有很大的指導意義。

1 外球面加工基本知識

1.1 球面加工常用刀具的選擇

粗加工可以使用鍵槽銑刀或立銑刀，也可以使用球頭銑刀。精加工應使用球頭銑刀。

圖1-1

1.2 球面加工的走刀路線

一般使用一系列水平面截球面所形成的同心圓來完成走刀。在進刀控制上有從上向下進刀和從下向上進刀兩種，一般應使用從下向上進刀來完成加工，此時主要利用銑刀側刃切削，表面質量較好，端刃磨損較小，同時切削力將刀具向欠切方向推，有利于控制加工尺寸。

1.3 進刀控制算法

1.3.1 進刀點的算法

圖2-4

2.2.3 三維螺旋加工宏程序

主程序

O1010 注釋說明

S1000 M03

G54 G90 G00 X0 Y0 程序開始，定位于G54原點

G65 P1011 X50.Y20.A50.B5.C0.M1.F1000 調用宏程序O1011

M30 程序結束

自變量賦值說明

#1=（A） 半球的半徑

#2=（B） 球頭銑刀的半徑

#3=（C） （ZX平面）角度設為自變量

#13=（M） 角度#3每次遞增量

#9=（F） 進給速度

#24=（X） 球心X坐標

#25=（Y） 球心Y坐標

宏程序 注釋說明

O1011

G54 X#24 Y#25 在半球中心建立局部坐標系

#4=#1+#2 球頭銑刀中心與半球中心連線的距離#4

G00 X0 Y0 Z[#1+30.] 定位于半球頂面上方（安全高度）

X[#4+1.] G00移動到X[#4+1.]處

Z[-#2+1.] G00移動到最底部（圓球直徑處）上方1.處

G01 Z-#2 F[#9*0.3] G01進給至最底部（半球直徑處）

X#4 G01進給貼近半球面

G02 I-#4 F#9 順時針走1圈整圓

WHILE[#3LT90]DO1 如果#3<90，循環1繼續

#5=#4*COS[#3] （ZX平面內）當前點刀尖對應的X坐標值

#6=#4*COS[#3+#13] （ZX平面內）下一點刀尖對應的X坐標值

#7=#4*SIN[#3+#13]-#2 （ZX平面內）下一點刀尖對應的Z坐標值

G02 X#6 I-#5 Z#7 F#9 G02螺旋加工至上一層

#3=#3+#13 （XZ平面內）角度#3依次遞增#13

END 1 循環1結束（此時#3=90）

GOO Z[#1+30.] G00快速提刀至安全高度

G52 X0 Y0 恢復G54原點

M99 宏程序結束返回

注意：

①ZX平面內角度#3為自變量，做到3D等步距加工；

②由于角度#3的初始值可以設定，因此即使不是一個完整的半球也可套用此程序；

③實踐加工證明，螺旋插補的加工方法使得加工流暢合理，特別是工件表面粗糙度得到了很大改善，除此以外，螺旋插補加工宏程序結構簡單，過程簡短精良容易編寫。也正是以上程序的編寫特點，決定了機床在執行程序時無需緩沖，由于其加工的流暢性極大地加快了加工速度，提高了生產效率。這種加工方法完全符合工業生產要求，這種改進思路完全符合機械加工領域的發展方向。

3 結論

生產實踐表明靈活安排加工工序，合理設置刀具加工路徑，在數控加工中有著重要的意義。它給我們的編程和加工帶來很大的方便，能大大地提高工件精度、表面質量以及工作效率。？

本文通過一個簡單的加工實例揭示了機械加工領域發展前進的過程，發現在機械加工領域里學習和創新是永無止境的，只要善于鉆研刻苦努力技術水平和學術理論定能攀上新的臺階。在以后的工作中我將秉承精益求精的思想，遇見問題要多思考多和別人多探討，爭取找到最佳解決方案。筆者衷心希望，我國科技界、產業界和教育界通力合作，把握好知識經濟帶來的難得機遇，迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰，為在21世紀使我國數控技術和產業走向世界的前列，使我國經濟繼續保持強勁的發展勢頭而共同努力奮斗！

參考文獻：

[1]葉伯生主編.數控原理及系統[M].中國勞動和社會保障出版社，2004.

[2]王榮心主編.加工中心培訓教程[M].機械工業出版社，2006.

[3]陳海舟主編.數控銑削加工宏程序[M].機械工業出版社，2006.

[4]翟瑞波，白一凡主編.數控編程與操作實例[M].中國勞動和社會保障版社，2005.

[5]冷柏軍主編.數控機床操作與實例分析[M].北京：中國財政經濟出版社.

[6]陳蘊博主編.數控編程技術與實例解析[M].北京：國防工業出版社.

作者簡介：

熊福意，男，1982年2月出生，講師，漢族，湖南長沙人，畢業于天津職業技術師范大學，工學學士，數控專業教師，教學研究方向：數控技術應用。

牛曉莉，女，1982年出生，講師，漢族，山西太原人，畢業于天津職業技術師范大學，工學學士，數控專業教師，主要研究方向：數控技術應用。