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數控車床上的多邊（biān）形（xíng）車（chē）削

2022-6-20 來源：濟南工程職業技術學院作者：李尚波

摘要：銑削並非加工多邊形零件的（de）唯一方法。多邊形零件也可以（yǐ）在數控車（chē）床上車削出來，而且效（xiào）率能夠比銑削加（jiā）工高數倍甚（shèn）至數十倍。但以這種方式加工多邊形（xíng）零件時，數控車床必（bì）須（xū）配置 2 把（或多把）旋轉車刀，數控係統也要具備相應的特殊功能。基於此，介紹多（duō）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（xíng）；車床；數控；旋轉車刀；刀盤軸；主軸

多邊形零（líng）件隨處可見，諸如連接操作手柄的方杆、六邊形（xíng）螺母、六（liù）角頭螺釘及螺栓等。因為多邊形（xíng）銑削是銑床的典型功能，所以銑削是人們加工多（duō）邊形零件的常用加工方法。除銑（xǐ）削外，多邊形（xíng）零件也可（kě）以在數控車床上車（chē）削出來，而且效率能夠比銑（xǐ）削加工高數倍（bèi）甚至數十倍。

1、多（duō）邊形車削的原理

眾所周知，一般車削時工件高速回（huí）轉、車刀沿軸向進給切削會使工件形成圓柱表麵。但是，若在（zài）車削時車刀也按（àn）要（yào）求和工件（jiàn）同時旋（xuán）轉，則可形成刀（dāo）尖（jiān）相對於工件的多邊形運動軌跡（jì）。這（zhè）種方式與銑削時刀具在工件表麵上旋轉，由進給運動產生平麵或其他輪廓麵有著本質的區別，因此仍屬於車削的範疇，即多邊形車削。

如圖 1 所示，A 為工件旋轉中心（主軸中心）和刀（dāo）具（車刀）旋轉中心（回轉刀盤中心）之間的距離，B 為刀具（jù）回轉半徑；設定工（gōng）件和刀具的回（huí）轉角速度分別為 α 和 β；以工件中心為 X-Y 笛卡爾坐標係的坐標原點，則刀盤中心和刀尖（jiān）的初始位（wèi）置分別是 P0（A，0）和 Pt0（A-B，0）。為方便計算，把主（zhǔ）運動（dòng）（即工件的旋轉運動）等效為刀架在相反（fǎn）方向繞（rào）工件中心的回轉（zhuǎn），則車刀的運動即為其本身繞刀盤中心的回轉和刀盤繞工件中心回轉（zhuǎn）的（de）複（fù）合（hé）運（yùn）動（dòng）。經過任意時刻 t後的刀尖位置

Pt 為（Xt，Yt），如圖 2 所（suǒ）示，可以用式（1）和（2）來表示：

圖1 工件和（hé）刀具的回轉路徑示意圖

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徑為 A+B，短（duǎn）徑為 A-B 的橢圓。因（yīn）此，若（ruò）在 180°的對稱位置各放 1 把刀具，就可以加工出如圖 3（a）所示的四（sì）邊形。同理，若每隔 120°放（fàng）置1 把刀具，且旋轉比為 1:3 時，則會（huì）形成如圖（tú） 3（b）所示的（de）六邊形。

圖3 刀具加（jiā）工軌跡

當然，這些多邊形的邊並非嚴格意（yì）義上的直線，但若 A 與 B 足夠接（jiē）近，即 A+B 與 A-B 之間的差（chà）值足夠大，則由此產生的（de）形狀（zhuàng）誤差便可忽略不計，一般取A ≤ 1.5B。

2、多邊形車（chē）床的結構

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（de）四（sì）方刀架外，再在主（zhǔ）軸軸線的另一側安裝（即後置安裝）一個軸線與主軸平行的回轉軸箱，其箱外靠近主軸一側（cè）的軸端（duān）安裝車刀刀盤（pán），即為刀盤軸和刀（dāo）盤（pán）軸箱。刀盤軸由主軸箱（xiāng）及刀盤軸（zhóu）箱中的齒輪傳動，更換（huàn）掛輪（lún）可實現主軸與刀盤軸（zhóu）之（zhī）間 1:2或 1:3 等不同的傳動比的傳動，配（pèi）合使用對稱安裝不同數量（如 2 把、3 把）車刀的刀盤，即可車（chē）削出 4邊、6 邊等不同邊數的多邊形（xíng）。因此，多邊形車床（chuáng）的結構即（jí）在普通車床的基礎上加（jiā）裝刀盤軸箱及其（qí）傳動係統。顯而易見，這種傳動結構非常（cháng）複（fù）雜，設計製造多邊形車床並非易事（shì）。

因為數控多邊形車床無（wú）需主軸與刀盤軸之間的機械傳（chuán）動鏈，所以數（shù）控車床卻能很好地解決這種問題。因此，數控技術的應用，基本解決了（le）數控多（duō）邊形車床在機械傳動方麵的難度，但實（shí）際加工時（shí）數控係統（tǒng）要具備相應的功能，同時還要把刀盤軸（zhóu）配置（zhì）為一個回（huí）轉伺服軸（FANUC 0I CNC 係統）或第二主軸（SINUMERIK CNC 係統）。為同步刀盤軸（zhóu）與主軸之的轉速比率，在主軸上（shàng）需要安（ān）裝位置編碼器以向刀盤軸提供即時動態同（tóng）步信號。除此之外，還須正（zhèng）確設定相應參數，使用時還要正確編程。典型數控多邊形車床主軸、刀盤軸、回轉刀架之間的結構布局如圖（tú） 4 所示。

圖4 典型數控多邊形車床的結構布局（jú）

3 、多邊形車削的設定（dìng）和編程

FANUC 0I 係列 CNC 係（xì）統中在刀盤軸配置為伺服軸的情況下，要先（xiān）將其設定為回轉軸，其主要參數如表 1 所示。

表 1 FANUC 0I 係列 CNC 設定回轉軸的主要參數

另外，必（bì）須設定參數 7610 為該（gāi）回轉軸的控製（zhì）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（hòu），按照如下編程（chéng）即可車削出所需的多邊形（前提是選項功能有（yǒu）效）：G00 X30.0 Z2.0 S1000 M03;（快進至工步起點（diǎn）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（pán）轉速 2 000/r•min-1，

此處 2 把車刀）G01 X20.0 F1.0;（X 軸切入（rù）：吃刀）Z-30.0;（Z 軸進給：走刀）G00 X30.0;（X 軸退刀）G50.2;（停止（zhǐ）刀盤旋轉）M05（停止主軸）此程序能夠車削出長 30 mm、截麵（miàn）邊長為 20 mm的正方形棱柱。其中 G51.2 P1 Qn（例中 n=2）為多邊（biān）形（xíng）車削功能啟動指令，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 的速比，G50.2 為功能結束指令。

在 SINUMERIK 係列係統中，多邊形車削是利用主軸同步功能實現（xiàn）的，因（yīn）此須將刀盤軸設定為第二主軸，即其軸參數（shù） MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX 須設定為 2。編程時使用（yòng）指令 COUPDEF（S2，S1，n.0，1.0），其（qí）中（n=2，3，…，n），定義 S1（主軸）和 S2（刀盤（pán）軸）之間的速比為1:n 的同（tóng）步關（guān）係，COUPDEL（S2，S1）為取（qǔ）消定義（yì）；同步（bù）啟動指令為 COUPON（S2，S1），結束（shù）指令為（wéi）COUPO（S2，S1）。其他起（qǐ）始（shǐ）、切入、走刀、退刀等程序段與上述 FANUC 程序相同。

4、結語

多邊形加工零件的質量取決於係統的品質及刀盤軸的伺服響應特（tè）性（xìng）、反饋原件（主（zhǔ）軸位置編碼器）的性能以及伺（sì）服電機與刀盤（pán）軸之（zhī）間傳動器件（聯軸器）的品質等。現（xiàn）如今，多邊形車（chē）床的設計製造已經非常簡化，且多邊形車削的邊數、大小都（dōu）能夠以編程實現（xiàn），使得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（shù）控係（xì）統等均可實現多邊形車削。但是無論哪種係統，都需正確設定和編程。因此，相關人員應重點關注數（shù）控係統的編程工作，以確（què）保加工零件符合要求。

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