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數控車床上的多邊形車削

2022-6-20 來源：濟南工程職業技術（shù）學院作者：李尚波

摘要：銑削並非加工多邊形零件的唯一（yī）方法。多邊形零件也可以在數控車床上車削出來，而（ér）且效率（lǜ）能夠（gòu）比銑削（xuē）加工高數倍甚至數十倍。但以這種方式加工多邊形零件時，數（shù）控（kòng）車床必須配置 2 把（或多把）旋轉車（chē）刀，數控係統也要具備相應的特殊功能。基於此，介紹多邊形車削的原理及其在

FANUC 0I 數控車床（Computer Numerical Control，CNC）和 SINUMERIK CNC 係統中的實現方法。

關鍵詞：多邊形（xíng）；車床；數控；旋轉車刀；刀盤軸；主軸

多邊（biān）形零件隨處可見，諸如連接操作手（shǒu）柄的方杆、六邊形螺母、六角頭螺釘及螺栓等。因為多邊形銑（xǐ）削是銑床的典（diǎn）型功（gōng）能，所以銑削是人們加工多邊形零件的常用加（jiā）工方法。除銑削外，多（duō）邊形（xíng）零件也可以（yǐ）在數控車床上車削（xuē）出來，而且效率能夠（gòu）比銑削加工高數倍甚至數十倍。

1、多邊形車削的原（yuán）理

眾所周知，一般（bān）車削時工件高速回轉、車刀沿（yán）軸向進給（gěi）切削會使工件形成圓（yuán）柱表麵。但是，若在車削（xuē）時車刀也按要求和工件同時旋轉，則可形成刀（dāo）尖相對於工件的（de）多邊形運動軌（guǐ）跡（jì）。這種方式與銑削時刀具在工件表麵上（shàng）旋轉，由進給運動產生平麵或其他輪廓麵（miàn）有著本（běn）質的區別，因（yīn）此仍屬於車削的範疇，即多邊形車削。

如圖 1 所（suǒ）示，A 為工件旋轉中心（主軸中心）和刀（dāo）具（車刀）旋轉中心（回轉刀盤（pán）中心）之間的距離，B 為刀具回轉半徑；設定工件和刀具的回轉（zhuǎn）角速度分別為 α 和 β；以工件中心為 X-Y 笛卡爾坐標係的坐標原點，則刀盤（pán）中心和刀尖的初始位置分別是 P0（A，0）和 Pt0（A-B，0）。為方便計算，把主（zhǔ）運動（dòng）（即工件（jiàn）的旋（xuán）轉運動）等效為刀（dāo）架在相反方向繞工件中心（xīn）的回轉，則車刀的運動即為其本身（shēn）繞刀盤中心的回轉和刀盤繞工件中心回轉的複合運動。經過任意時刻 t後的刀尖位置（zhì）

Pt 為（Xt，Yt），如圖（tú） 2 所示，可以用式（1）和（2）來表示（shì）：

圖1 工件和刀具的回轉路徑示意圖

圖 2 任意時刻後的刀尖位置

由式（1）～（4）可知，刀具的刀尖相對於工件運（yùn）動的軌跡是長徑為 A+B，短徑為（wéi） A-B 的橢圓。因此，若在（zài） 180°的對稱位置各放（fàng） 1 把刀（dāo）具，就可以加工出如圖 3（a）所示的四邊形。同理，若每隔 120°放置（zhì）1 把刀具，且旋轉比（bǐ）為（wéi） 1:3 時，則會形成如圖 3（b）所示的六（liù）邊形。

圖3 刀具加工軌跡

當然，這些多邊形的邊並非嚴格意義上的直線（xiàn），但若 A 與 B 足夠接近（jìn），即 A+B 與 A-B 之間的差值足夠大，則由此產生的形（xíng）狀誤差便可忽略（luè）不計，一般取（qǔ）A ≤ 1.5B。

2、多邊形車床的結構

根據上述多邊形車削的原理（lǐ），在普通（tōng）車床的小托（tuō）板上，除通常使用的四方刀架外，再（zài）在主軸軸線的另一側安裝（即後置安（ān）裝）一個軸線與主軸平行的回轉軸箱，其箱外靠近主軸一側的軸（zhóu）端安裝車刀刀盤（pán），即為刀盤軸和刀盤軸箱。刀盤軸由主軸箱及刀盤軸（zhóu）箱中的齒輪傳動，更換掛輪可實現（xiàn）主軸與刀盤軸之間（jiān） 1:2或 1:3 等不同的傳動比（bǐ）的傳動，配合（hé）使用對稱安裝不同數（shù）量（liàng）（如 2 把、3 把）車刀的刀盤，即可車削出 4邊、6 邊（biān）等不同邊數的多邊形。因此，多邊形車床的結構即在普（pǔ）通（tōng）車床的基礎上加裝刀盤軸箱及其傳動係（xì）統（tǒng）。顯而（ér）易見，這種傳動結構非常複雜，設計製造多邊形車（chē）床並非易事。

因為（wéi）數控多邊形車床無（wú）需主軸與刀盤軸之間的機械傳動鏈，所以數控車床卻能（néng）很好地（dì）解（jiě）決這（zhè）種問題。因此，數控技術的應用，基本解（jiě）決了（le）數控多邊形車床（chuáng）在機械傳動方麵的難度，但實（shí）際加工時數控係統（tǒng）要具備相應的功能，同時還（hái）要把刀盤軸配置為一個回轉伺（sì）服軸（FANUC 0I CNC 係統）或（huò）第二主軸（SINUMERIK CNC 係統）。為同步刀（dāo）盤軸與主軸之（zhī）的轉速比率，在主軸上需（xū）要（yào）安裝位置編（biān）碼器（qì）以向刀盤軸提供即時動態同步信號。除此之外，還須（xū）正確設定相應參數，使用時還（hái）要正確編程。典型（xíng）數控（kòng）多邊形車床主（zhǔ）軸、刀盤軸、回轉刀架（jià）之間（jiān）的結構布局如圖 4 所示。

圖4 典型數控多邊形車床的結構布局

3 、多邊形車削（xuē）的設定和編程

FANUC 0I 係列 CNC 係統中在刀（dāo）盤（pán）軸配置為（wéi）伺服軸的情況下，要先將其設定為回（huí）轉軸，其主要參數如表 1 所示。

表 1 FANUC 0I 係列 CNC 設定回轉軸的主要參數

另外，必須設定參數 7610 為該回轉軸的控製軸號，由此來確定該（gāi）軸為多邊形車削中的刀盤軸。正確設置參數後，按照如下編程即可車削出所需的多邊（biān）形（前提（tí）是選項功能有效）：G00 X30.0 Z2.0 S1000 M03;（快進至（zhì）工步起點同時啟動主軸，工件轉速 1 000/r•min-1）G51.2 P1 Q2;（啟動刀盤旋轉（zhuǎn），刀（dāo）盤轉（zhuǎn）速（sù） 2 000/r•min-1，

此處 2 把車刀）G01 X20.0 F1.0;（X 軸切入：吃刀）Z-30.0;（Z 軸進給：走（zǒu）刀）G00 X30.0;（X 軸退（tuì）刀）G50.2;（停止刀盤旋轉）M05（停止主（zhǔ）軸）此程序能夠車削出長 30 mm、截麵邊（biān）長為 20 mm的正方形棱柱。其中 G51.2 P1 Qn（例中 n=2）為多邊形（xíng）車削功能啟動指（zhǐ）令，它能夠使工件（主軸）和車刀（刀盤軸）的旋轉在任一時（shí）刻都嚴格保（bǎo）持 1:n 的速比，G50.2 為功能（néng）結束指令。

在 SINUMERIK 係列係統（tǒng）中，多邊形車削是利用主軸同（tóng）步功能實現的，因此須將刀盤軸設定為第二主軸，即其軸參數 MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX 須設定為 2。編程時使用指令 COUPDEF（S2，S1，n.0，1.0），其（qí）中（n=2，3，…，n），定義 S1（主軸）和 S2（刀盤軸）之間的速比為1:n 的同步關係，COUPDEL（S2，S1）為取消定義；同步啟動指令為（wéi） COUPON（S2，S1），結束指令為COUPO（S2，S1）。其他起始、切入、走刀（dāo）、退刀等程序段與（yǔ）上述 FANUC 程序相同。

4、結語

多邊形加工零件的質量取決於係統的品（pǐn）質及刀盤軸的伺（sì）服響應特性、反饋原件（主軸位置編碼器）的性能（néng）以及伺服電機與刀盤軸之間傳動（dòng）器件（jiàn）（聯軸器（qì））的品質等。現如今，多邊形車床的（de）設計製造（zào）已經非常簡化，且多邊形車（chē）削的邊數、大小都能夠以編程（chéng）實現，使得多邊形車削更加方便、靈活。除（chú） FANUC 和SINUMERIK 係統外，西（xī）班牙的（de） FAGOR、台灣省的SYNTEC 以及部分國產數控係統等均可實現多邊形（xíng）車削。但是無論哪（nǎ）種係統，都需（xū）正確設定和編程。因此，相關人員應重點關注數控（kòng）係統的編程工作，以確保加工零件符合要求。

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