数控车床随动车削非圆异形截面的加工方法

摘要

本发明公开了一种用于数控车床随动车削非圆异形截面的加工方法，其特征在于利用二维CAD软件精确制图，以加工时的工件坐标系为基准、以图纸中的数据为依据将加工轮廓转化成函数方程，再运用数控宏程序，通过偏心圆的数学表达式使数控系统自动进行取点计算，并结合连续螺纹插补方法拟合出非圆异形截面，在加工时，刀具始终跟随主轴的回转运动对非圆异形截面进行往复运动实现加工，达到运用主轴与刀具同步控制实现一次装夹加工的作用，避免了二次装夹加工带来的定位误差，使加工精度和工作效率取得了意想不到的技术效果。

说明书

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，具体地说是一种数控车床随动车削 非圆异形截面的加工方法。

背景技术

目前，现有的数控车床在加工各类回转面，如：圆柱面、圆锥面、球面这 类零件的截面都为圆形截面，而在实际生产中非圆截面的加工常采用数控铣削、 仿形铣削及线切割等加工方法实现，如各类凸轮、非圆齿轮齿坯。运用数控车 床主轴与X轴联动，在选用合适的刀具角度的情况下可以实现非圆截面的车削 加工，该方法扩展了数控车床的加工范围，开阔了数控车床编程的思路和方法。

数控车床在加工偏心轴类零件的惯常方法有：四爪单动卡盘装夹车削、双 顶尖装夹车削、三爪自定心卡盘加垫片车削、偏心轴套装夹车削，上述方法都 需要二次装夹或辅助工装来完成，存在二次装夹定位误差，且品种更换时需要 更换工装或重新调整，加工工艺过程繁琐，零件加工精度低。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种控制新颖、程序简单、 加工精度高、工作效率高、加工范围广、运动平稳的数控车床随动车削非圆异 形截面的加工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控车床随动车削非圆异形截面的加工方法，其特征在于利用二维 CAD软件精确制图，以加工时的工件坐标系为基准、以图纸中的数据为依据将 加工轮廓转化成函数方程，再运用数控宏程序，通过偏心圆的数学表达式使数 控系统自动进行取点计算，并结合连续螺纹插补方法拟合出非圆异形截面，在 加工时，刀具始终跟随主轴的回转运动对非圆异形截面进行往复运动实现加工， 达到运用主轴与刀具同步控制实现一次装夹加工的作用，避免了二次装夹加工 带来的定位误差，使加工精度和工作效率取得了意想不到的技术效果。

本发明所述函数方程为：

在平面直角坐标系中，所述机床主轴的回转运动为ω，所述刀具即X轴的跟 随运动为2Δe，刀具即Z轴的进给运动为Vf，偏心距为Δe的偏心圆，为方便计 算，以在Y轴正方向偏心Δe的情况下的方程为：

X²+(Y-Δe)²＝R²公式3-1

由极坐标与直角坐标的转换公式

$\left(\begin{array}{c}X=\rho \times cos\theta \\ Y=\rho \times sin\theta \end{array}\right)$公式3-2

其中ρ为极径，即刀具随动时X轴的半径值，θ极角，

将公式3-2代入公式3-1化简后得：

公式3-3

公式3-3表示了偏心圆上任意一点的极径与极角的关系；

所述数控插补方法为：

通过上述偏心圆的数学表达式，使数控系统运用数控宏程序进行取点计算， 用连续螺纹加工方法拟合出偏心圆的轮廓，

所述连续螺纹加工方法是通过在轮廓线端面上取两点进行螺纹插补，其螺 纹插补螺距的计算公式为：

所述螺纹插补螺距的轮廓在凸轮截面上的向心角为：360°减去所述插补螺 距的起点和终点之间的夹角的差， 所述螺纹插补螺距的径向轮廓尺寸的变化量为所述插补螺距的起点和终点之间 距离的绝对值，即相邻两点极径之差的绝对值，整个圆周的变化量则为：向心 角乘以相邻两点极径之差的绝对值，即为所述螺纹插补螺距，加工时，取起点 Pn、终点P0，刀具的加工顺序为由Pn向P0，即该截面取Pn点为周向起点，工 件顺时针旋转完成加工。

本发明所述刀具后角的计算公式为：

公式4-1

其中：α0：刀具后角；

f(x)：偏心圆轮廓在回转中心上的数学表达式

整理公式3-1带入公式4-1后求得刀具后角的范围为：(-5.2°，5.2°)，由程 序软件绘制的刀具后角α0的图形(如图3所示)，在加工时应选择大于5.2°后角 的刀具，避免干涉。

本发明采用所述数控宏程序和螺纹插补法加工轮廓余量较大的非圆异形截 面时，或者，当所述非圆异形截面的端面需要加工时，通过修改X方向刀补，并 分别几次走刀来完成，或者，通过用变量编程修改坐标系偏置方法来实现，进 一步保证了加工范围宽的作用。

本发明所述非圆异形截面在选择回转中心线时，可将直径的变化量达到最 小，使X轴的往复运动趋于平缓，减小加工过程中对机床X轴的冲击。

本发明由于采用上述方法，具有控制新颖、程序简单、加工精度高、 加工范围广、运动平稳等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1的加工工件示意图。

图2是图1中P10点到P0点间的端面螺纹取点插补示意图。

图3是图1中刀具的最小后角的示意图。

图4是本发明实施例2的结构工件示意图。

图5是图4中轮廓上半部弧形面的端面螺纹取点插补示意图。

图6是图4中轮廓左侧弧形面的端面螺纹取点插补示意图。

图7是图4中轮廓左下部弧形面的端面螺纹取点插补示意图。

图8是图4中轮廓下部弧形面的端面螺纹取点插补示意图。

图9是图4中刀具最小后角的示意图。

图10是本发明的刀具跟随偏心圆车削的示意图。

附图标记：。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种数控车床随动车削非圆异形截面的加工方法，其特征在 于利用二维CAD软件精确制图，以加工时的工件坐标系为基准、以图纸中的数 据为依据将加工轮廓转化成函数方程，再运用数控宏程序，通过偏心圆的数学 表达式使数控系统自动进行取点计算，并结合连续螺纹插补方法拟合出非圆异 形截面，在加工时，刀具始终跟随主轴的回转运动对非圆异形截面进行往复运 动实现加工，达到运用主轴与刀具同步控制实现一次装夹加工的作用，避免了 二次装夹加工带来的定位误差，使加工精度和工作效率取得了意想不到的技术 效果。

本发明所述函数方程为：

如附图10所示，在平面直角坐标系中，所述机床主轴的回转运动为ω，所 述刀具即X轴的跟随运动的距离为2Δe，刀具即Z轴的进给运动为Vf，偏心距为 Δe的偏心圆，为方便计算，以在Y轴正方向偏心Δe的情况下的方程为：

X²+(Y-Δe)²＝R²公式3-1

由极坐标与直角坐标的转换公式

$\left(\begin{array}{c}X=\rho \times cos\theta \\ Y=\rho \times sin\theta \end{array}\right)$公式3-2

其中ρ为极径，即刀具随动时X轴的半径值，θ极角，

将公式3-2代入公式3-1化简后得：

公式3-3

公式3-3表示了偏心圆上任意一点的极径与极角的关系；

所述数控插补方法为：

通过上述偏心圆的数学表达式，使数控系统运用数控宏程序进行取点计算， 用连续螺纹加工方法拟合出偏心圆的轮廓，

所述连续螺纹加工方法是通过在轮廓线端面上取两点进行螺纹插补，其螺 纹插补螺距的计算公式为：

所述螺纹插补螺距的轮廓在凸轮截面上的向心角为：360°减去所述插补螺 距的起点和终点之间的夹角的差，所述螺纹插补螺距的径向轮廓尺寸的变化量 为所述插补螺距的起点和终点之间距离的绝对值，即相邻两点极径之差的绝对 值，整个圆周的变化量则为：向心角乘以相邻两点极径之差的绝对值，即为所 述螺纹插补螺距，加工时，取起点Pn、终点P0，刀具的加工顺序为由Pn向P0， 即该截面取Pn点为周向起点，工件顺时针旋转完成加工；

本发明所述刀具后角的计算公式为：

公式4-1

其中：α0：刀具后角；

f(x)：偏心圆轮廓在回转中心上的数学表达式

整理公式3-1带入公式4-1后求得刀具后角的范围为：(-5.2°，5.2°)，由程 序软件绘制的刀具后角α0的图形(如图10所示)，在加工时应选择大于5.2°后 角的刀具，避免干涉。

本发明采用所述数控宏程序和螺纹插补法加工轮廓余量较大的非圆异形截 面时，或者，当所述非圆异形截面的端面需要加工时，通过修改X方向刀补，并 分别几次走刀来完成，或者，通过用变量编程修改坐标系偏置方法来实现，进 一步保证了加工范围宽的作用。

本发明所述非圆异形截面在选择回转中心线时，可将直径的变化量达到最 小，使X轴的往复运动趋于平缓，减小加工过程中对机床X轴的冲击。

具体实施例1：加工如附图1、2、3所示的零件：

运用数控车床的连续螺纹插补功能，通过端面螺纹加工方法，拟合出截面 轮廓。在拟合过程中，受X轴伺服响应速度的影响，会有一定的拟合误差，可 以通过降低主轴转速或提高编程时轮廓的计算精度的方法来提高轮廓的加工精 度，

该零件的轮廓上半部分为阿基米德螺旋线，

插补该两点之间的端面螺纹的螺距应为：

该轮廓在凸轮截面上的向心角为340°，径向轮廓尺寸的变化量为两点之间 距离的绝对值：

∣20.07-14.05∣＝6.02，在整个圆周的变化量应该为：(360/340)×6.02＝6.374， 该轮廓实际为螺距为6.374的端面螺纹(图1)，取起点P10、终点P0即可完成 该部分的加工，刀具加工顺序为由P₁₀点向P₀点，即该截面取P₁₀点为周向起点， 工件顺时针旋转完成加工；

右下方R7轮廓的编程处理方法:圆弧在凸轮截面上的向心角为20°，将该 轮廓分为10份取点，每份对应的圆弧在凸轮轮廓上的向心角为2°，分别取11 个点，P0点为上半部分螺旋线的终点(图2)，各点到回转中心的距离为R_p,则 相邻两点之间的半径差的绝对值为：∣R_p0－R_p10∣(刀具插补的顺序为由R_p0到 R_p10)；

其中Δθ为R_p0与R_p10两点在截面轮廓上以回转中心为坐标原点所对应的向 心角；

由上述方法推出插补各点时编程的螺距与直径坐标数据如下表1所示：

表1

整理所有点数据，得出该截面的加工程序为(表2)：

表2

再根据函数方程推出刀具后角的计算公式为：

公式4-1

其中：α0：刀具后角；

f(x)：阿基米德螺旋线轮廓在回转中心上的数学表达式

整理公式3-1带入公式4-1后求得刀具后角的范围为：(-5.2°，5.2°)，在加 工时应选择大于5.2°后角的刀具，避免干涉。

本发明采用所述数控宏程序和螺纹插补法加工轮廓余量较大的非圆异形截 面时，或者，当所述非圆异形截面的端面需要加工时，通过修改X方向刀补，并 分别几次走刀来完成，或者，通过用变量编程修改坐标系偏置方法来实现，进 一步保证了加工范围宽的作用。

本发明所述非圆异形截面在选择回转中心线时，可将直径的变化量达到最 小，使X轴的往复运动趋于平缓，减小加工过程中对机床X轴的冲击。

具体实施例2：

如附图4、5、6、7、8所示，车削加工非圆异形截面零件：

利用所述数控宏程序编程时，可将非圆异形截面的外轮廓线分割成轮廓上 半部弧形面、轮廓左侧弧形面、轮廓左下部弧形面、轮廓下部弧形面、轮廓右 下部弧形面和轮廓右部弧形面的加工轨迹进行程序编制，其具体编程步骤如 下：

如附图5所示，所述轮廓上半部弧形面为阿基米德螺旋线，所述轮廓上半 部弧形面在凸轮截面上的向心角为180°，径向轮廓尺寸的变化量为： 27.5-25＝2.5，在整个圆周的变化量应该为：(360/180)×2.5＝5，该轮廓实际为 螺距为5的端面螺纹，取起点P0、终点P1即可完成该部分的加工，刀具加工时 顺序为由P0点向P1点，即该截面取P0点为周向起点，工件顺时针旋转完成加 工；

如附图6所示，所述轮廓左侧弧形面R50轮廓的编程处理方法:所述轮廓 左侧弧形面R50圆弧在凸轮截面上的向心角为26.37°，将该轮廓分为10份取 点，每份对应的圆弧在凸轮轮廓上的向心角为2.637°，分别取11个点P1～P10， P1点为上半部分螺旋线的终点，各点到回转中心的距离为Rp,则相邻两点之间 的半径差为：Rp2－Rp1，即刀具插补的顺序为由Rp1到Rp2，插补该两点之 间的端面螺纹的螺距应为：

公式4-1

其中Δθ为Rp2与Rp1两点在截面轮廓上以回转中心为坐标原点所对应的 向心角；

由上述公式可以推出插补各点时编程的螺距与直径坐标数据如表3：

表3

注：P0点的上一点为右侧R50圆弧上的点；

如图7所示，所述轮廓左下部弧形面R15轮廓的编程处理方法：所述轮廓左 下部弧形面R15圆弧在凸轮截面上的向心角为13.07°，将该轮廓分为5份取点， 每份对应的圆弧在凸轮轮廓上的向心角为2.61°，分别取6个点P11～P16，P11 点为R50圆弧的终点，

同样可以推出插补该轮廓段中各点时编程的螺距与直径坐标数据如表4：

表4

如图8所示，所述轮廓下部弧形面R30圆弧的编程处理方法：所述轮廓下 部弧形面R30为与回转中心同轴的圆弧，径向变化量为0，可取起点P16与终 点P17，在轴向设置位移量，即将该段轮廓视为轴向螺纹的一部分来处理，而截 面中其余轮廓部分都为端面螺纹插补无轴向位移，故该段轮廓的轴向位移量即 为整个截面每转的进给量，如取每转进给量为0.1，则该轮廓编程时的螺距应为：

本发明所述轮廓右下部弧形面R15的坐标点数据为(表5)：

表5

右下角R50圆弧的坐标点数据为(表6)：

表6

所述轮廓右下部弧形面R15与所述轮廓右侧弧形面R50轮廓部分的处理方 法与所述轮廓左下部弧形面R15与所述轮廓左侧弧形面R50两处圆弧的处理方 法相同。

通过上述所有点数据得出该非圆截面的加工程序为表7：

表7

实施例3

图10运用数控宏程序，通过偏心圆的数学表达式数控系统自动进行取点计 算，用连续螺纹加工功能拟合出偏心圆的轮廓。

通过宏程序编制整理所有点数据，得出该截面的加工程序如下表8所示：

表8

刀具后角计算的数学原理：

根据数学原理可以推出刀具后角的计算公式应为：

当X0＝0时，

α₀＝±arctan(f′(x₀))

当X0＝0时，

其中：α0：刀具后角，

f(x)：截面轮廓在以回转中心为原点，所述轮廓上第一点为平面直角坐标 系X轴上的点的数学表达式。

本实例中轮廓由多段曲线组成，轮廓的数学表达式比较复杂，运用数学方 法计算较繁琐，可根据实际加工经验判断出刀具的最小后角应满足加工Pα0点 时刀具后角不发生干涉，本实例中刀具的最小后角应在P点附近，如附图9所 示，采用软件作图法在P点及该点轮廓附近画图，找出最小刀具后角为：∠ DPB＝19.11°。

本发明由于采用上述方法，具有控制新颖、程序简单、加工精度高、 加工范围广、运动平稳等优点。