波浪形轴类零件的数控加工工艺分析之欧阳光明创编
波浪形轴类零件的数控加工工艺分
析
欧阳光明（2021.03.07）
摘要：在数控机床上加工零件，首先遇到的问题就是零件的工艺处理。制定出细致、优化的加工工艺，是数控加工应用中应重视的问题。本文介绍波浪形轴类零件的数控加工工艺分析。
关键词：波浪形轴类零件数控加工工艺分析
制定细致、优化的加工工艺，是数控加工工艺编制人员、数控加工操作人员常需分析的问题，必须在编程之前正确确定加工方案，进行工艺设计，再考虑编程。波浪形轴类零件泛指轴径外大内小的轴类零件，本类零件的加工是轴类零件中的难点。本文以典型波浪形轴类零件为例，对数控加工中的工艺处理进行分析。
1、数控加工中的典型工艺处理方法
1)改局部分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸。在数控编程中，所有点、线、面的尺寸和位置都是以编程原点为基础的。因此，零件图中最好直接给出坐标尺寸，或尽量以同一基准引注尺寸。这种标注法，既便于编程，也便于尺寸之间的相互协调，在保持设计、工艺、检测基准与编程原点设置的一致性方面带来很大方便。但是由于零件设计人员往往在尺寸标注中较多地考虑装配等使用特性方面，而不得不采取局部分散的标注方法，这样会给工序安排与数控加工带来诸多不便。事实上，由于数控加工精度及重复定
位精度都很高，不会因产生较大的累积误差而破坏零件的使用性能，因而改动局部的分散标注法尺寸为集中引注或坐标式尺寸是完全可以的。
2)刀路应尽量简单。具体要求就是尽量选用0°或90°方向切削。因为单轴插补加工的物理意义在于不存在轮廓误差，两轴或两轴以上插补加工，在两轴位置增益不相同时，存在轮廓误差，且平行刀路要选择较长边作为进给方向。单轴插补加工不存在轮廓误差，故对于数控铣床加工零件，必须使零件的直线轮廓平行或垂直于坐标轴，以提高零件的加工精度。
3)拐点的处理要合理，避免采用直角过渡。在外角加工中选用圆角过渡，走刀方向不会因突然改变而损坏刀具，零件的拐角轮廓误差也得以有效控制。如果确需直角过渡的，可在轮廓交接处加入G04指令，延时数十至数百毫秒，在这段时间里前段轮廓加工时的跟随误差会迅速得以修正，如车削轴类零件台肩等。在现代数控加工中可以用CAM软件来很好地处理这类问题。有些数控系统也可采用尖角过渡G07指令。
4)刀路的材料去除量要均匀，减小冲击产生。材料切削量的突然改变会对刀具和机床产生冲击，特别是在留精加工余量时更应注意，大多在使用复合固定循环时，易出现该现象。
2、波浪形轴类零件的车削加工
如图1a所示零件，在车削类零件中属于非单调类，加工时具有较高的难度，必须合理制定其加工工艺。该零件加工所用坯料设为?66mm的棒料，批量生产，加工时用一台数控车床，图形的数
字处理及数控加工工艺如下。
2.1 图形的数学处理 曲线用 35°外圆切削刀
加工点 C 刀具必须具备的最小副偏角 Kr ′的计算:
故采用封闭粗切削循环时,刀具须选用副偏角大于39.71°的外圆车刀。
点B 坐标的计算(固定坐标系以点A 为中心):
所以点 B 的坐标X=2(36-27.6948+20)=56.61，Z=-35.17。
封闭粗切削循环时总退刀量的计算:
故采用G73指令加工X 轴上的总退刀量:
2.2 数控加工的工艺制定
工步1：夹棒料外圆柱面，车端面。
工步2：如图1b 所示，采用外圆粗切削循环 G71、精加工 G70指令，加工轨迹A →B →F →H →J →G 。
工步3：如图 1c 所示,采用55°外圆车刀，封闭粗切削循环G73、精加工G70指令，加工图中轨迹 B →C →D →G 。55°外圆车刀能保证点C 的副偏角 Kr ′为0362' ，大于0739'
，不产生刀具干涉。循环起始点O3一般位于点 C 基于R36圆弧的切线以左，?64mm 圆柱右侧端面以右，以防循环切削时的碰刀和过切。
工步4：如图 1c 所示,沿轨迹D →E →K ，采用纵向切削循环 G90指令,车削?40mm 圆柱。
工步5：如图 1d 所示，调头，夹持?64mm 外圆柱面，按总长157.17mm 要求，车削?20mm 圆柱右端面。
工步6：如图 1d 所示，采用纵向切削循环G90指令,车削
?20mm圆柱。
2.3工艺制定中易出现的几种问题
问题一：整个手柄曲线按一次精车处理。此加工工艺切削量太大，若刀具选择不当，易在点A或点C处产生刀具干涉，无法加工。
问题二：整个手柄曲线按G71指令外圆粗切削循环G70指令精加工。此加工工艺?40mm圆柱、R30圆弧处切削量太大，两圆弧交点 C处附近刀具易干涉无法加工。
问题三：整个手柄用割断刀粗车至手柄轮廓，然后精加工。此加工工艺割断刀的径向坐标尺寸计算非常繁琐，不易采用此方案进行实际加工。
问题四：如图 2所示，夹棒料外圆柱面，整个手柄曲线用 35°外圆切削刀具，按G73指令封闭粗切削循环、G70指令精加工，X 轴上的总退刀量为 i =33。
图2 加工工艺的不合理表现
实际退刀量将由循环起始点O3位置的变化而减小，点O3一般位于点C基于R36圆弧的切线以左，点A居工件端面以右，否则G73切削循环时易出现碰刀和过切现象。此加工工艺在加工棒料零件时，所用循环次数非常多，不利于提高加工生产率。
3、数控仿真软件下的刀具的干涉实验
在图1c中，需用55°外圆尖刀，采用封闭粗切削循环G73、精加工G70指令车削轨迹B→C→D→G。封闭粗切削循环是对铸造、锻造成型毛坯或已粗车成型工件的切削，这里用于处理非单调
轴类零件的加工。
通过计算可知，点C处刀具不引起干涉的副偏角Kr′要大于39.71°，除用55°外圆尖刀具加工外，还可用35°外圆车刀。用35°外圆车刀车削时，
必须保证副偏角Kr′大于39.71°，副偏角Kr′可在39.71°～50°范围中调节(副偏角Kr′为50°时，主偏角Kr为95°，这里不应靠主偏角Kr小于95°来增大副偏角Kr′)，若刀具安装不当，出现副偏角Kr′小于39.71°，将出现刀具干涉。图3所示是在仿真软件下,刀具副偏角Kr′为20°时在点C的干涉试验，明显表明在点C刀具的后刀面与零件已发生严重干涉。图4所示是55°外圆尖刀具在点C的切削状况，没有发生干涉现象。
图3 图4
4、结论
对于坯料为棒料的波浪形轴类零件(轴径外大内小)，一般的加工方法是先右侧去除直径单调部分材料(直径外小内大部分)，按零件情况选择，然后对非单调部分，通常是采用局部G73指令和割槽处理，并采用通用加工方法补充。为解决此类零件的高精度加工，可以按上述方法进行粗加工(留0.1～0.25mm精车余量)，最后进行一次完整的精加工(精加工时必须特别注意刀具的副偏角，以防干涉)。
参考文献
1、严爱珍，李宏胜.机床数控原理与系统[M ].北京:机械工业出版社 ,2003
2、程淑重.数控加工工艺 [M ].杭州:浙江大学出版社 ,2003