摘要：隨著我國的工業化進程的不斷推進，我國的製造業有（yǒu）了突飛（fēi）猛進的發展，特別在機械模具方麵更如雨後春筍。為此對機械產品提出了高精度、高複雜性的要求，而且（qiě）產（chǎn）品的更新換代也在加快，這對產品不僅提（tí）出了精度和效率的要求，而且也對（duì）機床提出了通用性和靈活（huó）性的要求。零件加工（gōng）程序通常是按零件輪廓編製的，而數控機床在加工過程中的控製點是刀具中心，因此在數控（kòng）加工前數控係統必須（xū）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（xiǎng）輪廓就有很大（dà）的出入，因此我們必須對實際（jì）刀（dāo）具路徑（jìng）作（zuò）出分析提出具體優化（huà）方（fāng）案。實（shí）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係到工件（jiàn）的精度、表麵質量及性能。

       0 引言

      在實際生產加工中曲麵的加工編程往（wǎng）往有自動編程（chéng）和宏程序手工編程兩種形式。自動編程常常借助於CAD/CAM 軟件， 由於CAD/CAM 軟（ruǎn）件構造曲麵（miàn）的底層數學模型所限，也（yě）由於CAD/CAM 軟件對曲麵生成刀具軌（guǐ）跡（jì）的（de）逼近原理所限，在執行事實上真正（zhèng）的整圓或圓弧軌跡時，軟件無法智（zhì）能地判斷，生成的程序並不是G02/GO3指令，而是G01 逐點逼（bī）近形（xíng）成的（de）圓。如此一來不但生成的程（chéng）序指令占（zhàn）據（jù）龐大的空間使得機床反應遲鈍，更重要的是由於直線逼近原理會使在造型期間的計算誤（wù）差在加工過程中被放大進（jìn）而影響工件精度及表麵質量。本文以典型外球麵（miàn）的曲麵手工（gōng）編（biān）程加工為例詳細進行了加（jiā）工分（fèn）析，並以實踐方（fāng）式得以論證。通過詳細實踐操作、詳細分析最終得出加工路（lù）徑的合理性對實際（jì）加工工（gōng）件的性能及（jí）質量的（de）影響，重要的（de）是（shì）加工分析思路，由此可以更（gèng）大程度影響（xiǎng）以後實際加工，並且對於數控教（jiāo）學（xué）也有很大的（de）指導意（yì）義。

      1 、外球麵加（jiā）工基本（běn）知識

      1.1 球麵加工常用刀（dāo）具的選擇

      粗加工可（kě）以使用鍵槽銑刀或立銑刀，也可以使用球頭銑刀。精加工應（yīng）使用球頭銑刀。
   

      圖1-1

      1.2 球麵加工的走刀路線

      一般使用一係列水平麵（miàn）截球麵所形成的同心圓來完成走刀。在進刀控製上有從上向（xiàng）下進刀和從下向上進（jìn）刀兩種，一般應使用（yòng）從下向上進刀來完成加工，此時主要利用（yòng）銑刀（dāo）側刃切（qiē）削，表（biǎo）麵（miàn）質量較好，端刃磨損較小，同時切（qiē）削（xuē）力將刀具向欠切方向推，有利於控製加工尺寸。

      1.3 進刀控製算法

      1.3.1 進刀點的算法（fǎ）

                                   圖1-2
 

      ①先（xiān）根據允許的加工誤差和表麵粗糙（cāo）度，確定合（hé）理的Z 向進刀量，再根（gēn）據給定加工深度Z，計算加工圓的半徑，即：r=sqrt[R2-z2]。此算法走刀次數較多。
      ②先根據允許的加工誤（wù）差和表麵粗糙度（dù），確定兩相鄰進刀點相對球心的（de）角（jiǎo）度增量， 再根據角度計算進刀點的r 和Z 值， 即Z=R*sinθ，r=R*cosθ。
 
 
       1.3.2 進刀軌跡的處理

      ①對立銑刀加工，曲麵加工是刀尖完成的，當刀尖沿圓弧（hú）運動時，其刀具中心運動軌跡也是一行徑的圓弧，隻（zhī）是位（wèi）置相差（chà）一個刀（dāo）具半徑。
      ②對球頭刀加工，曲麵加工是球刃完成的，其刀具中心是球麵（miàn）的同心（xīn）球麵，半徑相差一個刀具半徑。

      2、 加工方案提出及分（fèn）析

      2.1 方案提出

      2.1.1 逐層加工法

      逐層加工法就是應用宏程序設置循環驅動銑刀，在同一平麵用GO2/GO3 銑削圓（yuán）台（tái）時Z 向保持不變， 待X、Y 向銑削完成後X、Y 向運（yùn）動停止後（hòu），銑刀再沿著Z 軸向上或（huò）向（xiàng）下進行插補，待到達指定值後再進行第二次循環，直到整個循環過程完成。

      2.1.2 螺旋插補加工法（fǎ）

      螺旋加工法是指整個銑削過程從下刀開始到終點（diǎn）銑（xǐ）刀沿某一條特定的螺旋線上升或下降進行插補。整個插補過程Z 軸的（de）移動是伴隨著X、Y 的移（yí）動而逐步變化的。

      2.2 方案論證與實施

     2.2.1 逐層加工法的分析

      整個加工過程中的刀具路徑是（shì）這樣（yàng）子的（de）：銑刀在程序的控製下首（shǒu）先以GO1 的方式運行到預想圓的加工起始點，稍作停留，然後再按GO2/GO3 的（de）插（chā）補方式進（jìn）行圓弧（hú）插補（bǔ），待整圓加工完成後Z 軸以O1 方式向上或向下運動，到（dào）指定之後X、Y 軸再（zài）按GO1 方式運動，重複以上步（bù）驟直到加工結束。

      在整個加工過程中Z 軸的運動（dòng）總是獨立的、不連貫的，在加工完一層（céng）後由於Z 軸的遲鈍反應及突然加速（sù），機床（chuáng）會發生“ 顫抖”，而由此產生的後果往往是致命的，輕的會影響工件精度或表麵質量，而重者則會折斷刀具。圖2-1 就是逐層加工後的（de）效果仿真放大圖。實際加工中由於Z 和X/Y 軸的突然運動（dòng）對工件的精度及表麵質量是顯而（ér）易見的。

      分析上圖所示質量問題（tí），造成這樣的後果主要是由於加工中心的X、Y、Z 三軸的運動（dòng）不協（xié）調造成（chéng）的，為了克服（fú）圖2-1 中的（de）質（zhì）量問題我們采取了常用的圓弧（hú）切入圓弧切出地方法進行加工。即圖2-2所示的加工方法。

      在采取了圓弧切入圓弧切（qiē）出方法後表麵質量有了明顯改觀，特別是由於X/Y 軸的移動造成的過切現象得到了徹底改善，實際放大模擬效果如（rú）圖2-3。但是從下圖中（zhōng）可以明顯看出由於X、Y、Z 三軸的不協調造成的台階（jiē）現象還是沒有（yǒu）絲毫（háo）改（gǎi）變。

      2.2.2 螺旋插補法分析

      為（wéi）了徹底（dǐ）解決以上的（de）現實（shí）問題，我們又提出了螺旋插補的加（jiā）工方法，如圖2-4 加（jiā）工示意圖所示，銑刀從球體的下端開始沿著一（yī）條螺旋線緩緩上升，在（zài）上升的（de）過程中機床的三個坐標軸同時運動，相（xiàng）互協調完美結合。
   

                                     圖2-4

      注意（yì）：

      ①ZX 平麵內角度#3 為自變量，做到3D 等步距加工（gōng）；
      ②由於角度#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（xù）；
      ③實踐加工（gōng）證明， 螺旋插補的加工方法使得加工流暢合理，特（tè）別是工件表麵（miàn）粗糙度得到了很大改善，除此以外，螺（luó）旋插補加工宏程序結構簡單，過（guò）程簡（jiǎn）短精良容易編寫。也正（zhèng）是以上程序的編寫特（tè）點，決定了機床在執行（háng）程序時無（wú）需緩衝（chōng），由（yóu）於其加工的流暢性（xìng）極大地加快了加工速度，提高了生產（chǎn）效率。這種加工（gōng）方法完全符合工業生產要求，這種（zhǒng）改（gǎi）進思路完全符合機（jī）械加工領域的（de）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（chóng）要的意義。它給我們的編程和加工帶來很（hěn）大的方便（biàn），能大大地提高工件精度、表麵質量以及工作效率。

     本文通過一個簡（jiǎn）單的加工實（shí）例揭示了機械加工領（lǐng）域發（fā）展前進的過程，發現在機械加工領域（yù）裏學習和創新是永無止境的，隻要善於鑽研刻苦努力技術水平和學術理論定能攀上新的台階。在以後的工作中我將秉承精益求精的思想，遇見問題要多思（sī）考多（duō）和別人多探討（tǎo），爭取找到（dào）最佳解決方案。筆者衷心希望，我國科技界（jiè）、產業界和教育界通力合作，把握好知識經濟帶來的（de）難得機遇，迎接競爭全球（qiú）化帶（dài）來的（de）嚴峻挑戰， 為在21 世紀使我（wǒ）國數控技術和產（chǎn）業走向世界的前（qián）列，使我國（guó）經濟繼續保持強勁的（de）發展勢頭而共（gòng）同努力奮（fèn）鬥（dòu）！