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數（shù）控車床上的多邊（biān）形車削

2022-6-20 來源（yuán）：濟南工程職業技術學院作者（zhě）：李尚波

摘要：銑削並（bìng）非加工多邊形（xíng）零件的唯一（yī）方（fāng）法。多邊形零件也（yě）可（kě）以在數控車床上車削出來，而且效率能夠比銑削加工高數倍甚（shèn）至數（shù）十倍。但以這（zhè）種方式加工多（duō）邊（biān）形零件時，數控車床必須配置 2 把（或多把）旋轉車刀（dāo），數控係統也要具（jù）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；車床；數控（kòng）；旋轉車刀；刀盤軸；主軸

多邊（biān）形零件隨處可見，諸如連接操作手柄的方杆、六（liù）邊形螺母、六角頭螺（luó）釘及螺（luó）栓等。因（yīn）為多邊形銑削是銑床的典型功能，所以銑（xǐ）削（xuē）是人們加工多邊形零（líng）件的（de）常用加工方法。除銑削外，多邊形零件也可以在（zài）數控車床上車削（xuē）出來，而且效率能（néng）夠比銑（xǐ）削（xuē）加工（gōng）高數倍甚至數十倍（bèi）。

1、多邊形車削的原理（lǐ）

眾所周知，一般車（chē）削（xuē）時工件高速回轉、車（chē）刀沿軸向進給切削會使工件形成圓柱表麵。但是，若在車削時車刀也按要求和工件同時旋（xuán）轉，則（zé）可形成刀尖相對於（yú）工件的多邊形運動軌跡。這種方式與銑削時刀具在（zài）工（gōng）件表麵上旋（xuán）轉，由（yóu）進給運動產生平麵（miàn）或（huò）其他輪廓（kuò）麵有著本質（zhì）的（de）區（qū）別，因此仍屬於車削的範疇，即多邊形（xíng）車（chē）削。

如圖 1 所示，A 為工（gōng）件旋轉中心（主軸中心）和（hé）刀具（車刀）旋轉中心（回轉刀盤中心）之間的（de）距（jù）離，B 為刀具回（huí）轉半徑；設定工件和刀具的回（huí）轉（zhuǎn）角速度分別為 α 和 β；以工件中心為 X-Y 笛卡爾坐標（biāo）係的坐標（biāo）原（yuán）點，則刀盤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，把主運動（即工件的旋轉運動）等效為刀架在（zài）相反方向繞工件中心的回轉，則車刀的運動即為其本身繞刀盤中（zhōng）心的回轉和刀盤繞工件（jiàn）中心回轉的複合（hé）運動。經過（guò）任意時刻（kè） t後的刀尖位置

Pt 為（Xt，Yt），如圖 2 所示，可以用式（1）和（2）來表示：

圖1 工件和刀具（jù）的回轉路徑示意圖

圖 2 任意時刻後的刀尖位置（zhì）

由式（1）～（4）可知，刀具的刀尖相對於工件運動的軌跡是長（zhǎng）徑為 A+B，短徑（jìng）為 A-B 的橢圓。因此（cǐ），若在 180°的對稱位置各放（fàng） 1 把（bǎ）刀具，就可（kě）以（yǐ）加工出如圖 3（a）所示（shì）的四邊形。同理，若（ruò）每隔 120°放置1 把刀具，且旋轉比為 1:3 時，則會形成如圖 3（b）所示的六邊形。

圖（tú）3 刀具加工軌（guǐ）跡

當然，這些多邊（biān）形（xíng）的（de）邊（biān）並非嚴格意（yì）義上的直線，但若 A 與 B 足夠接近，即 A+B 與 A-B 之間的差值足夠大，則由此產生的形狀誤差便可忽略不計，一般取A ≤ 1.5B。

2、多邊形車床的結構（gòu）

根據上述多邊形車削的原理，在普通車床的小托板上，除通（tōng）常使用的四方刀架外，再在主軸軸線的另一側安裝（即後置安裝）一個（gè）軸線與主軸平行（háng）的回轉軸箱，其箱外靠近主軸（zhóu）一側的軸端安裝（zhuāng）車刀刀盤，即為刀盤軸和刀盤軸箱。刀盤軸由主軸箱及刀盤軸箱（xiāng）中的（de）齒輪（lún）傳動，更換掛輪可（kě）實現主軸與刀盤軸之間 1:2或 1:3 等不同的傳動比的傳動，配合使用對稱安裝（zhuāng）不同數量（如 2 把（bǎ）、3 把）車刀的刀（dāo）盤，即可車削出 4邊、6 邊等不（bú）同邊數的多邊形。因此，多邊形車床的結構即在普通車（chē）床的基礎上加（jiā）裝刀盤軸箱及其傳動係統。顯而易見，這種傳動結構非常複雜，設計製造多邊形車床並非易事。

因為數（shù）控多邊形車床無需主（zhǔ）軸與刀（dāo）盤軸之間的機（jī）械（xiè）傳動鏈（liàn），所以數控車床卻能很好地解決這種問題。因（yīn）此，數控技術的應用（yòng），基本解（jiě）決了數控多邊形車床在機械傳動方麵的難度，但實際加工時數控係統要具備相應的功能，同（tóng）時還要把刀盤軸配置為一個回轉伺服軸（FANUC 0I CNC 係統）或第二主軸（SINUMERIK CNC 係統）。為（wéi）同步刀盤（pán）軸（zhóu）與主軸之的轉速比率，在主軸上需要安裝位置編碼器以向刀盤軸提供即時（shí）動態同步信號。除（chú）此之外，還須正確（què）設（shè）定相應參數，使用（yòng）時還要正確（què）編程。典型數控多邊（biān）形車床主軸、刀盤軸、回轉刀架之間（jiān）的結構布局如圖（tú） 4 所示。

圖4 典型數（shù）控多邊形車床的結構布局

3 、多邊形車削的設定和（hé）編程

FANUC 0I 係列 CNC 係統中在刀盤軸配置（zhì）為伺服軸的情況下，要先將其設定為回轉軸，其主要參（cān）數如（rú）表 1 所示。

表 1 FANUC 0I 係列 CNC 設定回轉軸的（de）主要參數

另外，必須設定參數 7610 為該回轉軸（zhóu）的控製軸號，由此來確定該軸為多邊形車削中的刀盤軸。正確設置參數後，按（àn）照（zhào）如下編程即（jí）可車削出所需的多邊形（前提是選項功能有效）：G00 X30.0 Z2.0 S1000 M03;（快進至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，刀盤轉速 2 000/r•min-1，

此處 2 把車刀（dāo））G01 X20.0 F1.0;（X 軸切入：吃刀）Z-30.0;（Z 軸（zhóu）進給：走刀）G00 X30.0;（X 軸退刀）G50.2;（停止刀盤旋（xuán）轉）M05（停止主軸）此程序能夠車削出長（zhǎng） 30 mm、截麵邊長為 20 mm的正方形棱柱。其中 G51.2 P1 Qn（例中（zhōng） n=2）為多邊形車削功（gōng）能（néng）啟動指令，它能夠使工件（主軸）和車刀（刀盤軸）的旋轉在任一時（shí）刻都嚴格保持 1:n 的（de）速（sù）比，G50.2 為功能結束指令。

在 SINUMERIK 係列係統中，多邊形（xíng）車削是利用主軸同步功（gōng）能（néng）實現的，因此須將刀（dāo）盤軸設定（dìng）為第二主軸，即其軸參數（shù） 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），其中（n=2，3，…，n），定義 S1（主軸）和 S2（刀盤軸）之（zhī）間的速比為1:n 的同步關係，COUPDEL（S2，S1）為取消定義；同步啟（qǐ）動指令為 COUPON（S2，S1），結束指令為COUPO（S2，S1）。其他起始、切入、走刀、退刀等程序段（duàn）與上述 FANUC 程序相同。

4、結語

多邊形加（jiā）工零件的質量取決於係統的品質（zhì）及刀盤軸的伺服響應特性、反饋原件（主軸位置編碼器）的性能以及（jí）伺服電機與刀盤軸之間傳動（dòng）器件（jiàn）（聯軸器）的品質等。現如今，多邊形（xíng）車床的設計製造（zào）已經非常簡（jiǎn）化，且多邊形車削的邊數、大小都能夠以編程實現，使（shǐ）得（dé）多邊形車削更加方便、靈活。除 FANUC 和SINUMERIK 係統外，西班牙的 FAGOR、台灣省的SYNTEC 以及（jí）部分國產數控係統等均可實現多邊形車削。但是無（wú）論哪種係統（tǒng），都需正確（què）設定和編程。因此，相關人員應重點關注數控係統的編程工作，以確保加工零件符合要求。

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