數控車床加工錐麵的刀具軌跡設計與優（yōu）化
2020-5-18 來源： 茂（mào）名職業技術學院 作者：肖（xiāo）日增
摘要：分析常用多重循環指（zhǐ）令（lìng） G71，G72，G73 和錐麵切削（xuē）循環指（zhǐ）令 G90，直線插補指令 G01 的適用範圍及優缺點。結合具體錐麵工（gōng）件，提供了一種加工錐麵刀具軌跡的優化（huà）方法，借助 Auto CAD 繪製刀（dāo）具軌（guǐ）跡圖，查找（zhǎo）錐麵切削（xuē）循環指令 G90 刀具（jù）軌跡的快速（sù）退刀拐點的坐標，縮短走空刀的路程（chéng）；並利用 G90 的模態特性簡化縮短程序，編寫了具體加工程序並進行實踐應用。這種（zhǒng）優化（huà）方法可明（míng）顯提高大批量生產效率，具有推廣價值。
關鍵詞：數（shù）控車床；加工錐麵；刀具軌跡；優化
0 引言
圓錐麵加工可使用車普通床或數控（kòng）車（chē）床實現（xiàn）。使（shǐ）用普通車床加工圓錐麵，要（yào）依靠旋轉小滑板到所需角度進行加工，加工（gōng）過程要通過多次（cì）試切進行調整角度，用萬能角度尺不斷測量工件錐角，直到需要角度。
由於（yú）在（zài）調整角度過程（chéng）中車（chē）床角度刻度盤的（de）每（měi）刻度是 1°，所以普通車床存（cún）在係統誤差，難以（yǐ）達到設計要求和加工要求（qiú）。
現在加工（gōng）圓錐配合麵或精度要求（qiú）高的（de）圓錐麵都使用（yòng）數控車床（chuáng）加工。
精度和（hé）效率是數控車床（chuáng）加工需要（yào）考慮的（de）主要問題。以提高數控加工效率為目（mù）標（biāo），可以選擇合理的加工（gōng）工藝參（cān）、方法，縮短切削時間，提高加工效率；還可以通（tōng）過產生合理簡潔的刀具路徑，在保證加工精度要求下最大限度優化刀具軌跡，減少加工時間，實現高（gāo）效（xiào）率的加工
。
設計合理（lǐ）高（gāo）效的刀具軌跡是提高加工效率的一個重要環節。數控車床錐麵加工可應用的加工指令很多（duō） ， 基於GSK980TD 機床，就有多重循環（huán）指令 G71，G72，G73，切削循（xún）環指令 G90 及直線插補指令 G01 可供選擇，這些指令生成的刀具軌跡各有優點，可應用（yòng）於不同錐麵加工。
1 、數控車床加（jiā）工錐麵的常用刀具軌跡（jì）
軸向粗車循環（huán）指令 G71 適用於（yú）如棒狀非成型毛坯的粗車加工（圖 1），徑向粗車循環（huán）指令 G72 適用（yòng）於如盤狀非（fēi）成型毛坯的（de）粗車加工（圖 2）。
圖 1 G71 指令循環軌跡
圖（tú） 2 G72 指（zhǐ）令循（xún）環軌跡
從刀（dāo）具軌跡可見，其最大區別在於進刀方向：G71 軸向進刀車削，G72 徑（jìng）向進刀車削。封（fēng）閉切削循環指令（lìng）G73，適用於成型毛坯的粗車加工，刀（dāo）具軌跡如圖 3 所示。
圖（tú） 3 G73 指令循環軌跡
G71，G72 與 G73 都可以在本指令上預留精加工餘量，由後續精加工指令 G70 加工，應用起來也是這樣。從加工效率角度考慮，G72 更適用於加工錐度大（dà）於（yú） 2：1 的圓錐（zhuī）麵，G71 更（gèng）適（shì）合加工錐度小於 2∶1 的圓錐麵。
加工錐麵（miàn）時，G71，G72 會留下鋸齒狀加工餘量，如果背吃刀量較大（dà），最後一刀仿形車削的切削力波動（dòng）很大，會影響刀（dāo）具壽命和加工質量。徑向進刀或軸向進刀都對錐麵（miàn）存在較（jiào）大擠壓力，使（shǐ）工件形成較大的內應力。
因而對（duì）高精（jīng）錐麵加工，G71，G72 並（bìng）非最（zuì）佳選擇。
毛坯的粗車加工，如果用於加工（gōng）棒料毛坯，由於偏置刀（dāo）量（liàng）的累積，表層加工階段會走（zǒu）很多空刀（dāo），嚴重影響加工效（xiào）率。因而對於使用棒料（liào）毛（máo）坯加工圓錐麵，G73 也不（bú）是一個較好選（xuǎn）擇。切削循環指令 G90 可實現柱麵或錐麵切削循環，從切削點開始，進行徑向（X 軸）進刀或軸向（Z 軸）進刀，也（yě）可以 X、Z 軸同時切削，即可直接（jiē）加工（gōng）錐（zhuī）麵（miàn），刀具軌跡如圖 4 所（suǒ）示。
圖 4 G90 指令軌跡
加工錐麵指令格式為：G90 X__ Z__ R__ F__；其中 R 為切削起（qǐ）點與切削終點（diǎn） X 軸絕對坐標的差值（半徑值），帶方向（xiàng）。應用 G90 錐麵切削循環指令具有減少切削應力的優點，因為直接加工錐麵，走刀方向就是錐度方向，比直接軸向或徑向進刀的 G71，G72，G73
，G90 的軸向與徑向（xiàng）的切（qiē）削分力小很多。
如圖 5 所示（shì），基（jī）麵（miàn） Pr上切深抗力 Fy、進給抗（kàng）力 Fx合成基麵上的（de）合力 Fxy，基麵上（shàng）的合力 Fxy顯然是對工件產生內應力影（yǐng）響最大的。假設切深（shēn）抗力 Fy一樣大，直接軸（zhóu）向的進給抗力 Fx1與 G90 指（zhǐ）令的斜（xié）向走刀的進給抗力 Fx2相等，由力的四（sì）邊形法則可知，合（hé）力 Fy2比合力 Fxy1小很（hěn）多（duō）。
圖 5 基麵 Pr 上的切削力
錐麵切削（xuē）循環指令 G90 的斜（xié）向走刀時，相當（dāng）於減小了主偏角，但切深抗力 Fy不增反減，這是因為工作平（píng）麵已經改變，進給（gěi）方向為錐麵方向。假設合力 Fxy2與合力 Fxy1相等，則 Fy會因（yīn）斜向走刀變得更（gèng）小，從而減小了工件的變形（xíng）和振（zhèn）動。
G90 指令（lìng）是人工分層編寫背吃刀量的，比背吃刀量（liàng）自（zì）動（dòng）分層（céng）的G71，G72 指（zhǐ）令更利（lì）於靈活規劃粗加工、半精加工及精加工。利（lì）用 G90 錐麵切削循環指令為模態指令還可簡化編程，不用（yòng）指定切削起點（diǎn）和退刀點過程，隻須指定切削終點：X 為切削終點 X 軸絕對坐（zuò）標，Z 為（wéi）切削終點 Z 軸絕對坐（zuò）標。
G01 指令雖然也可通過走（zǒu）斜線插（chā）補實現錐麵切削，但（dàn）要指定快速（sù）插補G00 及直線插補 G01 的所有起始點，編程（chéng）過程繁瑣。
2 、數控車床加工錐麵的刀具軌跡優化
以上各種刀具軌跡描述了加工（gōng）過程中刀具相對於工件運動的（de）具體方式、路徑與位置（zhì），包括（kuò）有效的切削運動軌跡和輔（fǔ）助運動軌（guǐ）跡，切削運動軌跡以實線（xiàn）表達，輔助運動軌跡以虛線表達。
輔助運動軌跡主要（yào）用於刀（dāo）具定位、切削軌跡段間轉接等，雖不直接參與工件的成型，但卻是加工中不（bú）可缺少的（de）過程，一般都以快速定位（wèi）指令（lìng） G00 實現，路徑長且需要花費一定的加工時間。
圖 6 所示的錐麵工件，是大量生產的壓管機彈簧壓頭的半成品，其錐麵加工是（shì）加工質量和加工效率的關鍵。
根據前麵各種刀具軌（guǐ）跡的分（fèn）析，決定（dìng）選用 G90 指令實現錐麵（miàn）切削循環（圖 7）。依圖分析可知，切削進給的刀具軌跡有一（yī）半是沒實質加工的，浪（làng）費（fèi）了近一半的（de）加工時間。進行大批（pī）量加工應要求優（yōu）化刀具（jù）軌跡，減少空走刀的時間。
圖（tú） 6 錐麵零件
圖（tú）7 G90 優化前刀（dāo）具軌跡 14.5°
優化方法：借助 Auto CAD 在外輪廓的基礎上先繪刀具軌跡圖，查找錐（zhuī）麵切削循環指令 G90 刀（dāo）具軌跡的快速退刀拐點的坐標，縮短走（zǒu）空刀（dāo）的路程（圖 8）。當 X 值大於材料直徑時，刀具即立即軸向退刀，省去了近一半的刀具軌跡行程。
但刀具軌跡的（de）各個拐點如果采用 G01 指令編程將會使程序變得很長，此時（shí），可應用G90 指令進行優化，使用 Auto CAD 查詢出切削起點與切削終點 X 軸絕對坐標的差值（半（bàn）徑值），即可節省每段程（chéng）序的 X 值的輸入。
切削（xuē）終點 Z值設定為刀具剛好離開所加工（gōng）外錐麵開始走空刀時確定的 Z 值。優化後的刀具軌跡如圖 9 所示，明顯減少了走空刀的刀具軌跡，加工效率大幅提高。
圖8 優化刀具軌跡（jì）的坐標（biāo）取值
應（yīng）用 G90 指令進行圓錐切削優化後的程序如下 ：
3 、結論
加工實踐表明（míng），應用 G71 刀具軌（guǐ）跡加工一個錐麵用時 15 min，而應用優化後的 G90 指（zhǐ）令刀具軌跡加（jiā）工一個錐麵是 8 min，效率提高近一倍，證明了這種加工優化方法的有效性。這種優化方法對於大批量生產具有重要意義，有推廣價值。但這（zhè）隻（zhī）是對一個工件的優化（huà）法，適合大批量、高精度的錐麵加工，對小批量而多種錐度不同的工件還可以應用宏程序進行 優化。
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