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數控車床加工錐麵的刀具軌跡設計與優化

2020-5-18 來源：茂名職業技術（shù）學院作者：肖日增

摘要：分析常用多重循環指令 G71，G72，G73 和錐麵切削循環指令 G90，直線插補指令 G01 的適（shì）用範圍及優缺點。結合具體錐麵工件，提供了一種加工錐麵刀具軌跡的優化方法，借助 Auto CAD 繪製刀具軌跡圖，查找錐麵切（qiē）削循環指（zhǐ）令 G90 刀具軌跡的快速退刀拐（guǎi）點的坐標，縮短走空刀的（de）路程（chéng）；並（bìng）利用 G90 的模態特性簡化縮短程序（xù），編寫了具體加工（gōng）程序並進行實踐應用。這種優化方法可明顯提高大（dà）批量生產效率，具有推廣價值。

關鍵詞：數控車床；加工（gōng）錐麵；刀具軌（guǐ）跡（jì）；優化

0 引言

圓錐麵加工可使用車普通床或數控（kòng）車床實現。使用普通車床加工圓錐麵，要依靠旋轉小滑板到所需角度進行加工，加工過程要通過（guò）多次試切進（jìn）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（dù）。

由於在調整（zhěng）角（jiǎo）度過程中車床角度刻度盤的每刻度是 1°，所以（yǐ）普（pǔ）通（tōng）車床存在係統誤差，難以達到設計要求和加工要求。

現在加工圓錐配合麵或精度要求高的圓錐麵都（dōu）使用數控車床加工。

精度和效率是數控車床加（jiā）工需要考慮的主要問題。以提高數控加工效率為目標，可（kě）以選擇合理（lǐ）的加工工藝參、方法，縮短切削時間，提高加工效率；還可以通過產生合理簡（jiǎn）潔的（de）刀具路徑，在保證加工精度要求下（xià）最（zuì）大（dà）限度優化刀具軌（guǐ）跡，減（jiǎn）少加（jiā）工時間，實現高效（xiào）率的加工

。

設計合理（lǐ）高效的刀（dāo）具軌跡是提高加（jiā）工效率的一個重要環節。數控車床錐麵加工（gōng）可（kě）應用的（de）加工指令（lìng）很多，基於GSK980TD 機床，就有多重循環指令 G71，G72，G73，切削循環指令 G90 及直（zhí）線插補指令 G01 可供（gòng）選擇，這些指令生成（chéng）的刀具軌跡各有優點，可應用於不同錐麵加工。

1 、數控車床加工錐麵的常（cháng）用刀具軌跡

軸向粗車循環指令 G71 適用於如棒狀非成型毛坯的粗車加工（圖 1），徑向粗車循環指（zhǐ）令 G72 適用於如盤狀非成型毛坯的（de）粗車加工（圖 2）。

圖 1 G71 指令循環軌跡

圖 2 G72 指（zhǐ）令循環軌跡

從刀具軌跡可見，其（qí）最大區別在於進刀方（fāng）向：G71 軸向進刀車削，G72 徑向進刀（dāo）車削。封閉切削循環指令G73，適用於（yú）成型毛坯的粗車加工，刀具軌跡如圖 3 所示。

圖 3 G73 指令（lìng）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（lǜ）角度考慮（lǜ），G72 更適用於加（jiā）工（gōng）錐度（dù）大於 2：1 的圓錐麵，G71 更（gèng）適合加工錐度小於 2∶1 的圓錐麵。

加工錐麵時，G71，G72 會留下鋸齒狀加工（gōng）餘（yú）量，如（rú）果背吃刀量（liàng）較大，最後一刀仿形車削的切削力波動很大，會影響刀具壽命（mìng）和加工質量。徑向（xiàng）進刀或軸向進（jìn）刀都對錐麵存在較大擠壓力，使工件形成較大的內應力。

因而對高精錐麵加工，G71，G72 並非（fēi）最佳選擇。

毛坯的粗車加工，如果用於加工棒料毛坯，由於偏置刀量的累積，表層加工階段會走（zǒu）很多空刀，嚴重影響加工效率。因而（ér）對（duì）於使用棒料毛坯加工（gōng）圓（yuán）錐麵（miàn），G73 也不是一個較好（hǎo）選擇（zé）。切削循環指令 G90 可實現（xiàn）柱麵或錐麵（miàn）切削循（xún）環，從切削點開（kāi）始，進行徑向（X 軸）進刀或（huò）軸向（Z 軸）進刀，也可以 X、Z 軸同時切削，即可直接加工錐麵，刀具軌跡如圖 4 所示。

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（qiē）削起點與（yǔ）切削終點 X 軸絕對坐標的差值（半徑（jìng）值），帶方向。應（yīng）用 G90 錐麵切削循環（huán）指令（lìng）具有減少切（qiē）削應力的優點，因為直接加工錐麵，走刀方向就是錐度（dù）方向，比直接軸向或徑向進刀的 G71，G72，G73

，G90 的軸向與徑向的切削分力小很多。

如圖 5 所示，基麵 Pr上切深（shēn）抗力 Fy、進給抗力 Fx合成基麵上的合力（lì） Fxy，基麵上的合（hé）力 Fxy顯然是對工件產生內應力影（yǐng）響最大的。假（jiǎ）設切深抗力 Fy一樣大，直接軸向的進給抗力 Fx1與 G90 指令的斜向（xiàng）走刀的進給抗力 Fx2相等，由力的四（sì）邊形法則可知，合力 Fy2比合力 Fxy1小很多。

圖 5 基麵 Pr 上的切削力

錐麵切削循環指（zhǐ）令 G90 的（de）斜向走刀時，相當於減小了主偏角，但切深抗力（lì） Fy不增反減，這是因為工作（zuò）平麵已經改（gǎi）變，進給方向為錐麵方向。假設合力（lì） Fxy2與合力 Fxy1相等，則 Fy會因斜（xié）向（xiàng）走刀變得（dé）更小，從（cóng）而減（jiǎn）小了工件的變形和振動。

G90 指令（lìng）是人工分層編寫背吃刀（dāo）量的，比背吃（chī）刀（dāo）量（liàng）自動分層的G71，G72 指令更利於靈活（huó）規劃粗加工、半精加工（gōng）及精（jīng）加工。利用 G90 錐麵切削循環指令為模（mó）態指令還可簡化編程，不用指定切削起點和退刀點過程，隻須指定切削終點：X 為切削終點 X 軸絕對坐標，Z 為切削（xuē）終點 Z 軸絕對坐標。

G01 指令（lìng）雖然也可（kě）通過走斜線插補實現錐麵切削，但要指定快速插補（bǔ）G00 及直線插補 G01 的所有起始（shǐ）點，編程過程繁瑣。

2 、數控車床加（jiā）工錐麵的刀具軌跡（jì）優（yōu）化

以上各種刀具軌跡描述了加工過程中刀具相對於工件運動（dòng）的具體方式（shì）、路徑與位置，包括有效的切削運動軌跡和輔助運動軌跡，切削運動軌跡以實（shí）線表達，輔助運（yùn）動軌跡以虛線表達。

輔助運動（dòng）軌（guǐ）跡主要用於刀具定位、切削軌跡段間轉接等，雖不直接參與工件的成型，但卻是（shì）加工中（zhōng）不可缺少的過程，一般都以快速定（dìng）位指令 G00 實現，路徑長且需要花費（fèi）一定的加（jiā）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（de）半成品，其錐麵加（jiā）工是加工質量和（hé）加工效（xiào）率的關鍵。

根據前麵各（gè）種刀具軌跡的分析，決定選（xuǎn）用 G90 指令實現錐麵切削（xuē）循（xún）環（圖 7）。依圖分析可知，切削進給的刀具軌跡有一半是沒實質加工的，浪費了近（jìn）一半的加工時間。進行大（dà）批量加工應要求（qiú）優化刀具軌跡，減少空走刀的時間。

圖（tú） 6 錐麵零件

圖7 G90 優化前刀具軌（guǐ）跡 14.5°

優化方法：借助 Auto CAD 在外輪廓的基礎上先繪刀（dāo）具軌跡圖（tú），查找錐麵切削循環指令 G90 刀具軌跡的快速退刀拐點的坐標，縮（suō）短走空刀的路程（圖 8）。當 X 值大於材料直徑（jìng）時，刀具即立即軸向退刀，省去了近一半的刀具（jù）軌跡行程。

但刀具軌跡的各個拐點如果采用 G01 指（zhǐ）令編程將會（huì）使程序變得很（hěn）長，此時，可應用G90 指令進行優（yōu）化，使用 Auto CAD 查詢出切削起點與切削終點 X 軸（zhóu）絕對坐標的差（chà）值（半徑值），即可節省每段程序（xù）的 X 值的輸入。

切削終點 Z值設定（dìng）為（wéi）刀（dāo）具剛好離開所加工外錐麵開始走空刀（dāo）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（kōng）刀的刀具軌跡，加工效率大幅提高。

圖8 優（yōu）化刀具軌跡的（de）坐標取值

應（yīng）用 G90 指（zhǐ）令進行圓錐切削優化後的程序如下：

3 、結論

加工實踐表明，應用 G71 刀具軌（guǐ）跡（jì）加工一（yī）個錐麵（miàn）用時 15 min，而應（yīng）用優化後的 G90 指令刀具軌跡加工（gōng）一個錐麵（miàn）是 8 min，效率提高（gāo）近一倍，證明了這種加工（gōng）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。但這隻是對一個工件的（de）優化法，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（yīng）用宏程序進行優化。

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