基于宏程序的內(nèi)孔余弦曲線槽的加工*

杜立波 甘志軍 鄭書(shū)華

(①寧波技師學(xué)院機(jī)械技術(shù)系，浙江寧波 315032;②寧波工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，浙江寧波 315016)

滑座零件(圖1)內(nèi)孔中余弦曲線型油槽屬空間三維曲線。

1 工藝分析

零件的封閉油槽分布在內(nèi)孔壁上，其油槽對(duì)稱中心線為三維余弦曲線，油槽等寬并且底面和兩側(cè)面為三維曲面，油槽底面平行于內(nèi)孔軸線，且截面為帶圓角矩形。加工的關(guān)鍵在于如何實(shí)現(xiàn)銑刀始終垂直于內(nèi)孔表面、刀具與工件的相對(duì)切削運(yùn)動(dòng)和編制三維余弦曲線宏程序。

1.1 方案分析

加工內(nèi)孔余弦曲線封閉油槽的實(shí)質(zhì)與加工圓柱凸輪原理相同。加工圓柱凸輪時(shí)，刀具垂直于圓柱外表面，旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)凸輪工件旋轉(zhuǎn)，刀具沿著旋轉(zhuǎn)軸軸向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)銑削。依照?qǐng)A柱凸輪加工原理，加工內(nèi)孔余弦曲線封閉油槽選用配置旋轉(zhuǎn)軸的加工中心(或配置旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)控銑床)，應(yīng)用角度頭將刀具轉(zhuǎn)換90°，使其垂直于內(nèi)孔表面。工件內(nèi)孔軸線垂直于工作臺(tái)定位、安裝(如圖2所示)，若三軸立式加工中心配備附加第四軸，則第四軸采用旋轉(zhuǎn)軸線垂直于工作臺(tái)安裝，構(gòu)成C軸伺服控制，實(shí)現(xiàn)銑刀垂直內(nèi)孔表面。數(shù)控系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)第四軸帶動(dòng)工件插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))，同時(shí)伺服驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)刀具沿工件軸向(Z軸)直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，銑刀旋轉(zhuǎn)銑削油槽，實(shí)現(xiàn)余弦曲線油槽的加工。

1.2 機(jī)床、夾具及刀具的選用分析

(1)機(jī)床選用 選擇三軸立式加工中心(如VMC650)，配備四軸控制功能的FANUC 0i數(shù)控系統(tǒng)，采用旋臺(tái)直徑為φ255 mm附加第四軸A軸，型號(hào)NC－255N。附加第四軸安裝在工作臺(tái)上，保證旋轉(zhuǎn)軸線垂直于工作臺(tái)，如圖2所示。校正第四軸旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)平面與機(jī)床主軸的垂直度在0.06 mm以內(nèi)，滿足加工要求。

(2)夾具分析 如圖3所示，夾具體上平面定位工件下平面(A基準(zhǔn)面)，限制Z向、繞X和繞Y轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度;短定位心軸定位工件內(nèi)孔φ130±0.02 mm，限制X向和Y向兩個(gè)自由度;圓柱銷定位側(cè)面，限制工件繞Z轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)自由度;實(shí)現(xiàn)工件完全定位，符合定位原理和加工要求。采用兩個(gè)壓板壓緊，實(shí)現(xiàn)工件緊固。夾具體中間的避讓沉孔防止了角度頭底面與夾具體干涉。夾具體底端的φ40－0.009－0.025mm圓柱凸臺(tái)與第四軸旋臺(tái)定位孔 φ40+0.0250mm配合，保證了夾具體與第四軸旋臺(tái)的同軸度要求。

(3)角度頭選用 數(shù)控機(jī)床應(yīng)用角度頭附件(如圖4所示)，可以改變機(jī)床主軸的刀具軸輸出方向。角度頭安裝到主軸錐孔上，以定位銷周向定位，螺釘鎖緊。通過(guò)90°角度頭將刀具輸出軸線轉(zhuǎn)變成水平方向，垂直于工件內(nèi)孔圓柱表面。銑刀通過(guò)夾套安裝到角度頭上，刀尖距主軸軸線的距離L應(yīng)小于工件內(nèi)孔半徑R65mm。因此，選取角度頭型號(hào)為:BT40XSAH25E－90，其外形完全能進(jìn)入工件內(nèi)孔φ130±0.02 mm內(nèi)而不干涉。

2 宏程序編制

2.1 編程變量及關(guān)系分析

根據(jù)加工方案和工件圖，應(yīng)用宏程序控制刀尖倒圓角R0.3 mm的φ2 mm鍵槽銑刀，沿著余弦曲線油槽中心線(余弦曲線)進(jìn)行銑削加工。根據(jù)切削原理和坐標(biāo)軸伺服控制，余弦曲線加工通過(guò)伺服軸C軸帶動(dòng)滑座繞φ130±0.02 mm內(nèi)孔軸線旋轉(zhuǎn)，伺服軸Z軸帶動(dòng)角度頭上的刀具上下直線運(yùn)動(dòng)，兩軸聯(lián)動(dòng)合成內(nèi)孔余弦曲線的切削運(yùn)動(dòng)。加工時(shí)，采用直線段擬合逼近余弦曲線，C軸每旋轉(zhuǎn)一個(gè)微小的角度Δθ，Z軸坐標(biāo)就相應(yīng)地變化Δz，通過(guò)變量運(yùn)算和宏程序控制，實(shí)現(xiàn)圓柱面余弦曲線的加工。

根據(jù)內(nèi)孔余弦曲線展開(kāi)圖，此余弦曲線的幅值為19.5 mm，在φ130±0.02 mm內(nèi)孔表面360°范圍內(nèi)均勻分布10個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，設(shè)余弦曲線角度為自變量α，取值范圍［0°，360°］，關(guān)系式為:Z=19.5 ×cosα。并且10個(gè)周期的余弦曲線盤繞在φ130 mm內(nèi)孔面上，工件的旋轉(zhuǎn)角度(內(nèi)孔圓柱面圓心角)θ與余弦曲線自變量α成比例關(guān)系，關(guān)系式為:θ=α/10。由此得出，編制圓柱面余弦曲線宏程序的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

2.2 宏程序流程圖建立

由以上分析可得余弦曲線宏程序流程圖，如圖5所示。根據(jù)此流程圖可以編制正弦曲線等非圓曲線的宏程序。

2.3 編制圓柱面余弦曲線宏程序

以FANUC 0i系統(tǒng)為例，編程零點(diǎn)選在滑座零件下端面φ130±0.02 mm內(nèi)孔圓心處，選用φ2R0.3 mm的鍵槽銑刀，編制精銑上面一條余弦曲線油槽的程序如下:

對(duì)于下面一條余弦曲線油槽的加工，將N90和N120程序段分別修改為 N90 G1 Z－19.5 F600和N120 G1 Z－#4 A#5 F600即可，其余程序不變。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了內(nèi)孔余弦曲線油槽的加工關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐證明:此方法切實(shí)可行，操作編程簡(jiǎn)單，通過(guò)采用附加第四軸和角度頭，拓展了三軸加工中心的加工范圍。

［1］馮文成.數(shù)控加工深型腔復(fù)雜型面模具的刀具長(zhǎng)度優(yōu)化［J］.模具工業(yè)，2011，37(5):65 －68.

［2］韓玲國(guó).角度頭刀具在數(shù)控加工中的應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(11):83－84.