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基於普通數控車床的等距型（xíng）麵加（jiā）工研究

2021-5-6 來源：沈陽理工大學機械內蒙古北方重（chóng）工業作者：薑增輝薑智勇張宇庭仉智寶馬立久

摘要: 等距型麵連接在重載機械的（de）大扭矩傳遞（dì）中已呈現取代傳統鍵連接的趨勢。目前常采用加工中心來完成等（děng）距型麵的切削加（jiā）工。提出了一種應用普通兩軸（zhóu）數控車床加工等距（jù）型麵的（de）方法，利用 G32 指令車削端麵螺紋的功能代替加工中心的 C 軸功能，實現切削中圓周角度的精確定位與跟蹤。建立了利用（yòng） G32 指令擬合加工等距（jù）型麵的模型，並設計了相應（yīng）宏程序。建立了基於 VERICUT 的仿真切削環境，並進行了（le）車削仿真加工。結果（guǒ）表明，應用普通兩軸數（shù）控車床可以實現（xiàn）等距型麵的切削加工，且選取（qǔ）適合的分割增量角對保證加工精度非常重要。

關鍵詞: 等距型麵; 數控（kòng）車床（chuáng）; 車削; 宏程序; 仿真加工（gōng）

型麵連（lián）接相比鍵連接具有更好的對中性，更小的應力集中和（hé）更大的（de）連接剛度，其在大扭矩傳（chuán）遞中逐漸得到了（le）廣泛應用。在型（xíng）麵連接中，其廓形曲（qǔ）線以等距廓形（xíng）曲線應用最為廣泛。等距型麵連接加工可以采（cǎi）用靠模仿型法和機械式運動（dòng）合成法實現，但這些方（fāng）法製造柔性差，生產效率低。目前，通常在三軸以上加工中心上采（cǎi）用車削或銑（xǐ）削（xuē）方式完成等距型（xíng）麵的加工，這大大提高了加工設備成本在零件製造成本中的占比，也使得一些（xiē）加工中心較少（shǎo）的（de）小微加工企業不得不放棄這類產品的生產訂單。

為解決這（zhè）一問題，提出了一種在普通兩軸數控車床上，利用 G32 指令加工等距型麵的方法。

1 、基（jī）於 G32 的等距型麵車削原理

等距型麵是（shì）一種非（fēi）回轉體型麵，普通兩軸數控車床在利用直線插補指令 G01 車削（xuē）加工中不能實現車刀在工件（jiàn）圓周方向的定（dìng）位和跟蹤，因此無法通過 G01利用 X、Z 軸聯（lián）動完成等距型麵加工。螺紋車（chē）削指令 G32 可（kě）以通過調（diào）用主（zhǔ）軸編碼器實（shí）現主軸轉速和車刀進給之間的精確配合，由此可以利用 G32 以阿基米德螺旋線擬合等距型麵曲線，在普通兩軸數控車床（chuáng）上實現等距型麵的加工。

1．1 G32 車削等距型麵原理

G32 為單行程車削螺紋（wén）指令，加工端麵螺紋時，X軸進給和主軸轉動進行閉環聯動，由此可以將等距型麵廓形曲線拆分成小段曲線，用 G32 逐段擬合。為進行（háng）擬合加工對等距廓形曲線進行等弧長分割，可得到（dào）分割點 P1、P2，…，Pi，…，Pn。用 G32 指令以（yǐ）上述分割（gē）點依次為起、終點逐段擬合等（děng）距廓形曲線，可實現等距型麵的加工。G32 指令的代碼一般結構為:G32 X( U) Z( W) F( I) Q其中（zhōng）: X 為終止（zhǐ）點的極徑（jìng）; Z 為終止（zhǐ）點 Z 軸坐標（biāo）; F 為螺紋螺（luó）距，即主軸旋轉一（yī）圈 X 方向的（de）增量; Q 為起始點角度（dù）。

若應用 G32 代碼擬合加（jiā）工等距（jù）型麵，需（xū）確定加工（gōng）每一段被分割的等弧長曲線時參量 X、Z、F、Q 的賦值。以如圖（tú） 1 所示等距三（sān）邊型麵為（wéi）例，其等距廓形曲線由小圓弧 AB 和大圓弧 BC 構（gòu）成（chéng）的廓形曲（qǔ）線段 AC 以120°中心對稱所得，因此實現 AC 段曲線的擬合加工，即可實現完整等距三邊廓形的加工。選小弧中點（diǎn） P0( 即 D 點) 為（wéi）起刀（dāo）點，此處進、退刀不易劃傷已加（jiā）工表麵。由於圓弧 AD 與 CE 以 O 點呈 120°的中心對（duì）稱，則前述對 AC 段曲線的加工轉化為了對 DE 段（duàn）曲線的加工。下麵（miàn）就如何求得擬合加工曲線段 DE 時（shí） G32 代碼的各參量賦值進行分（fèn）析。

1．2 X 的（de）賦（fù）值分析

由於小（xiǎo）圓弧 AD 與 CE 以 O 點呈 120°的中心（xīn）對稱，式( 1) 對於小圓弧 CE 在以其（qí）自身圓心為原（yuán）點建立的小圓弧相對坐標係（xì）內同樣成立。大圓弧 BC 在絕（jué）對坐標係 XOY 內的方程為：

1．3 Z、F 的賦值分析

與 X 的的賦值類似，在對每一段被分割曲線弧的擬合加工時參量 Z 也（yě）需重新賦（fù）值。

1．4 廓形曲線的分割及 Q 的賦值分（fèn）析（xī）

如圖 1 所示，擬合加工（gōng）曲線（xiàn） DE 的（de）起刀點 P0( D)在小圓（yuán）弧 AB 上，由此先對小圓弧 AB 進行分割，且（qiě）其中對小圓弧 AD 部分（fèn）的分割，其方法對（duì）小圓弧 CE 同樣成立。

2 、宏程序設計

在擬（nǐ）合車（chē）削等距三邊型麵的數控（kòng）程序中，指令G32 中（zhōng） 4 個參量的賦值計算是核心內容。為此，設計參量賦（fù）值宏程序如圖 3 所示。

通過宏程序實現（xiàn）等弧長分割，完成分割點坐標、極徑和極角（jiǎo）的計（jì）算，並對（duì） G32 代碼中的參量進行賦值。

3 、等距三邊型麵的虛擬加工

通過虛擬加工等距三邊型麵驗證以 G32 擬合車（chē）削等距型麵的可行性。毛坯選擇直徑 101 mm 長 400mm 的中碳鋼棒料，擬加工（gōng）得到大徑 50 mm 小徑 41．38mm 的（de）等距三邊型麵。

3．1 加工參（cān）數

為提高切削效率，保（bǎo）證加工質量，采用切削深度、軸向進給量逐漸遞減（jiǎn），低速粗車（chē）、高速精（jīng）車的切削參數（shù）選擇方案。擬進行四刀粗車、一刀精（jīng）車，其加工（gōng）刀路如圖 4 所示，切削參數如表（biǎo） 1 所（suǒ）示。車削參（cān）數粗車最後一刀留有偏置餘量 0．31 mm，這樣精車背吃刀量恒定，提高加工精度。

表 1 車削（xuē）加工切削參（cān）數

3．2 構建虛擬機床

根據被加工件（jiàn）尺寸選用 MJ－460 數（shù）控車床為原型建立（lì）虛擬機床。該機床隻具備 X、Z 軸，沒有 C 軸功（gōng）能，其斜床（chuáng）身利於排（pái）屑（xiè），有更好的（de）穩定性。

通過 UG 建立機床部件的 STL 模型文件，並導入VERICUT 中構建虛擬車床（chuáng） ( 如圖 5a) ，並由表 1 切削參數仿真（zhēn）加工得到等距三邊型（xíng）麵( 如圖 5b) 。

4 、仿真結果與分析（xī）

如前所（suǒ）述可知，等距（jù）曲線的分割增量角，即小圓弧（hú）圓心角增量!θ1，對加工精度有很大影響。為研究!θ1對加工精度（dù）的影響規律，分別取!θ1為（wéi） 1°、2°、3°和 4°進行了仿真切削，並采用 VERICUT 距離測量工具對加（jiā）工誤差進行了測量。測量位置（zhì）如圖 6 所示位置，包括等距廓形曲線在小弧頂點、大（dà）弧頂點及大弧與小弧相切點共 12 個特征點。結果如圖 7 所示。

由圖 7 可知，所測點位加工誤差均（jun1）為殘留（liú），無過切發生。測量點位中小弧頂點殘留值最大，大弧頂點殘留（liú）值（zhí）最小，這是（shì）由於擬合加工等距廓形時，采（cǎi）用了等弧長（zhǎng）方法對（duì）廓形曲線進行分割，而小弧段分割曲線段曲率（lǜ）相對較大，導致擬合間（jiān）隙也較大，因此加（jiā）工（gōng）殘留相應較大。

另外，加工誤差與分割增量角並非線性增加關係，增量角（jiǎo）增大可導致最大誤差的增幅迅速變（biàn）大（dà），且加工誤差在等距廓形上的（de）波動幅度也迅（xùn）速變大。因此，選取較小（xiǎo）的分割增量角有利於提高廓形的加工精度。但應注意，實際加工（gōng）中（zhōng）受機床進給精（jīng）度和數控係統預讀速度的影響，分割增量角不（bú）宜（yí）選取過小。

過小（xiǎo）的增量角可（kě）使擬合加工中單步徑向進給量小於機床徑向進給精度，徑（jìng）向（xiàng）進給運動（dòng）失真。另（lìng）外，增量角越小，程序段越多，將導致（zhì）數控係統的響應無法跟上加工路徑執行速度，機床進給運動會減速、爬行，加工（gōng）表麵（miàn）會因為程序的停頓而產生明顯的刀痕。

5 、結語

建立了基於普通兩軸（zhóu）數控車床 G32 指令的等距（jù）型麵加工方法，設計了參量賦值宏程序（xù），並通過構建虛擬機（jī）床進行了加工（gōng）仿真，得到如下結果:

( 1) 通過 G32 指令可在普通（tōng）兩軸數控車床上實現（xiàn）等距型麵的加（jiā）工。

( 2) 選取合適的分割增量角對保證等距型（xíng）麵的表麵加工精度十分重要（yào）。

減小分割增量（liàng）角可降低已加工表麵殘留誤差，並收窄誤差波動幅度，但過小的分割增量角可能導致車（chē）削進給運動的減速和失真，反（fǎn）而降低已加工表麵質量和精度。

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