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CNC加工中尖角过渡处理和切入切出程序设计
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图1 干涉示意图图2 刀具左偏一、尖角过渡轮廓、型腔加工中的尖角过渡，以直线与直线、直线与曲线、曲线与曲线相交或相切的形式表现出来。有的是工件外形本身要求的，有的是用直线、圆弧逼近曲线轮廓产生的。由此可知，只要轮廓线上斜率不连续就会出现尖角。轮廓上的尖角会造成刀具中心轨迹线上的不连续或干涉现象。如图1所示，在加工凸形轮廓表面时，产生两段刀具中心轨迹线不连续，而加工凹形轮廓表面时产生干涉，所以在编程时必须预处理。下面就几个典型的问题予以讨论。直线与直线相交在图2中，A、B、C、D为工件轮廓节点，a、b、c、d为刀具中心轨迹节点，其坐标关系为：xm＝xn＋ΔxNym＝yn＋ΔyN式中，xm、ym为刀具中心轨迹节点坐标值；xn、yn为工件轮廓节点的坐标值；ΔxN、ΔyN为工件轮廓和刀具中心对应节点连线的向量在两个坐标轴上的分量。欲求xm、ym应先求出ΔxN、ΔyN，设直线AB、BC与X轴的夹角为a和b，则有：ΔxN=l cos[(a+b)/2+p/2]=-l sin[(a+b)/2]ΔyN=l sin[(a+b)/2+p/2]=l cos[(a+b)/2]式中，l=r/cos[(a-b)/2]由此可得：ΔxN=r{-sin[(a+b)/2]}/cos[(a-b)/2]ΔyN=r cos[(a+b)/2]/cos[(a-b)/2]式中，l为工件轮廓和刀具中心对应节点间的距离；r为刀具半径；a、b为按逆时针方向工件轮廓节点前、后两直线与X轴的夹角。令：p=-sin[(a+b)/2]/cos[(a-b)/2]，q=cos[(a+b)/2]/cos[(a-b)/2]则有：ΔxN＝rp　　ΔyN＝rqxm＝xn＋rp　　ym＝yn＋rq(1)若连续三个节点的坐标为(xA、yA)、(xB、yB)、(xC、yC)，则有：tana＝(yB－yA)/(xB－xA)tanb＝(yC－yB)/(xC－xB)如果p、q不用a、b表示，可直接用节点前、后两直线的坐标增量表示：p=[x2(x12+y12)1/2-x1(x22+y22)1/2]/(x1y2-x2y1)q=[y2(x12+y12)1/2-y1(x22+y22)1/2]/(x1y2-x2y1)式中　x1＝xB－xA　　y1＝yB－yAx2＝xC－xB　　y2＝yC－yB图3 刀具右偏上面公式是顺着刀具运动方向看，刀具在工件轮廓左侧的情况下导出的，对于其刀具在工件轮廓右侧的情况，其矢量方向正好相反，如图3所示，则有：p=[x1(x22+y22)1/2-x2(x12+y12)1/2]/(x1y2-x2y1)q=[y1(x22+y22)1/2-y2(x12+y12)1/2]/(x1y2-x2y1)为了计算方便，将p、q表示为：{p=K[x2(x12+y12)1/2-x1(x22+y22)1/2]/(x1y2-x2y1)(2)K[y2(x12+y12)1/2-y1(x22+y22)1/2]/(x1y2-x2y1)式中，K为刀偏修正系数，当刀具左偏时，K＝1，当刀具右偏时K=-1。图4 直线与圆弧、圆弧与圆弧相切示意图直线与圆弧、圆弧与圆弧相切如图4所示，切点B处的矢量可通过直线或圆弧求出。直线与圆弧相切时，有：{p=K(yA-yB)/[(yB-yA)2+(xB-xA)2]1/2(3)q=K(xA-xB)/[(yB-yA)2+(xB-xA)2]1/2或：{p=K(xB-x0)/R(4)q=K(yB-y0)/R式中，K为刀偏修正系数，取值同前；x0、y0为圆弧段圆心坐标值；R为圆弧段半径。圆弧与圆弧相切时，设两相切圆的方程为：(x－x1)2＋(y－y1)2＝R12(x－x2)2＋(y－y2)2＝R22切点为B，则B处的矢量为：{p=K(xB-x2)/R2(5)q=K(yB-y2)/R2或：{p=K(xB-x1)/R1(6)q=K(yB-y1)/R1式中，K为刀偏修正系数，取值同前；x1、y1和x2、y2为相切圆弧的圆心坐标；xB、yB为切点坐标；R1、R2为圆弧半径。图5 直线与圆弧、圆弧与圆弧相交过渡示意图直线与圆弧、圆弧与圆弧相交单位矢量补偿法只能处理相交两直线、直线与圆弧或圆弧与圆弧相切的情况，对于直线与圆弧或圆弧与圆弧相交的情形，则需要对原始图作适当的修改，在不降低工件精度的情况下，于相交处增加一辅助圆弧r以过渡。如图5所示。过渡圆弧半径r的选取至关重要，它既与技术要求有关，还同本程序段所采用的刀具半径r刀有关，选择时应满足r＞r刀的条件，否则将不能构成连续切削的图形，同样会产生干涉。设直线L的方程为：Kx－y－KxA＋yA＝0　令A＝B　　B＝－1C＝yA－KxA或C＝yB－KxBK＝(yB－yA)/(xA－xB)O1(x1,y1)为与直线L相交圆弧的圆心，R为半径，O(x0,y0)为过渡圆弧r的圆心，它与直线L和圆R分别相切于D、E，r、R及O1坐标已知，则有：{r=(Ax0+By0+C)/(A2+B2)1/2(7)(r+R)2=(x0-x1)2+(y0-y1)2解式(7)求出过渡圆弧r的圆心坐标x0，y0，切点D、E的坐标可通过解下列方程组求出：{r2=(x0-yD)2+(y0-yD)2(8)AxD+ByD+C=0{r2=(x0-yE)2+(y0-yE)2(9)R2=(x1-yE)2+(y1-yE)2同理可求出两圆弧相交时，在交点处过渡圆弧r的圆心O及与R1、R2圆的切点D、E的坐标值，其中圆心为O1、O2，其求值的方程为：{(R1+r)2=(x0-x1)2+(y0-y1)2(10)(R2+r)2=(x0-x2)2+(y0-y2)2{r2=(x0-xD)2+(y0-yD)2(11)R12=(x1-xD)2+(y1-yD)2{r2=(x0-xE)2+(y0-yE)2(12)R22=(x2-xE)2+(y2-yE)2式中r、R1、R2、x1、y1、x2、y2已知，解式(10)，求得过渡圆弧r的圆心坐标值x0、y0；解式(11)、式(12)，求得切点D、E的坐标值xD、yD、xE、yE。对于刀具引入和退出轮廓面的矢量同理可求出：直线段：{p=K(x2-x1)/[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2(13)q=K(y2-y1)/[(x2-x1)2+(y2-y1)2]1/2式中，K为刀偏修正系数，取值同前；x1、y1为进入点坐标；x2、y2为退出点坐标。圆弧段：{p=K(x1-x0)/R(14)q=K(y1-y0)/R式中，K为刀偏修正系数，取值同前；x0、y0、R为圆弧的圆心坐标和半径；x1、y1为圆弧起点坐标。图6 刀具半径r大于台阶高度h的过渡示意图对小台阶型面的过渡在实际加工中，常会遇到加工刀具的半径r大于台阶高度h的情况，如图6所示。若编程时不作任何处理，直接用给定的坐标值以转角的方式编程，则必将导致过切如图6a中阴影部分。因此，遇到这种情形时，需对编程点坐标作相应的处理，在程序中采用走直线的方法对台阶面进行过渡，如图6b所示，有：BE=[r2-(r-h)2]1/2(15)xE＝xB－BE　　yE＝yB为了计算方便，走刀终点E的求解通式为(如图6c所示)：{xE=xB-BEcosq(16)yE=yB+BEsinq式中，q为直线段AB与X轴的夹角，有正负之分。其正确的加工程序段为：N100G01G41xayaZaFgN110&xeye&;不能用转角指令N120&G71xeye&;转外角N130&G41xdyd以上过渡算法，已用C语言编成了计算机程序(具体程序略)。图7 轮廓进、退刀示意图图8 型腔进、退刀示意图二、切入切出程序的设计在数控机床上进行轮廓铣削时，为了保证工件的精度和加工表面的粗糙度，减少接刀的痕迹，对切入和切出程序要精心设计。在铣削平面工件时，一般采用立铣刀的端刃和侧刃铣削。这样在加工外形时，其切入和切出程序应考虑外延，一般取外延距离1＜L＜5mm，以保证工件轮廓的平滑。在进行如图7所示的工件类加工时，应避免法向切入或切出工件，而应沿工件轮廓的延长线切入和切出工件轮廓，这样可避免切入和切出处在轮廓上留下刀痕。铣削平面时，要特别避免在垂直工件表面的方向上进刀或抬刀，因为这样会造成较大的划痕，故进、退刀应在工件平面的处延进行。在平面上铣削凹槽的封闭轮廓时，如图8所示，其切入和切出不允许外延，这时应将切入和切出点选在工件轮廓两几何元素的交点处，即转角点上。图9 工件上留下的凹痕图10 锪孔时进、退刀示意图轮廓加工过程中应避免进给停顿。因为切削力的改变要引起工件、刀具、夹具、机床系统的弹性变形。进给停顿，切削力减小，刀具会在停顿处的工件轮廓上留下凹痕，如图9所示。为了降低工件表面的粗糙度和提高其精度，也可采用多次走刀的方法，最后一次精加工的余量一般留0.2～0.5mm。在精铣时，尤其工件材料为铝合金、钛合金和耐热合金时，应采用顺铣，这样有利于降低工件表面粗糙度。用立铣刀锪孔时，应采用如图10所示的切线进、退刀方式加工，不能在圆孔的法线上进、退刀，否则，在进、退刀处会留下划痕，影响工件精度。在加工螺纹时，要求沿螺距方向的Z向进给和主轴转速保持严格同步。由于系统的滞后性，Z轴由停止状态到达指令指定的进给量需要一过渡过程。因此在编程时，应在螺纹加工前引入一定长L的引入距离，一般取5＜L＜10mm，使系统在启动后进给量稳定地进入螺纹加工。三、结论上述工艺技术，一直应用于数控加工和普通机加车间，为数控加工和常规加工的程序和工艺设计提供了一种高效、简洁的方法，经长期的实际生产证明，该技术稳定可靠，产生了良好的经济效益，使原来复杂的刀具中心轨迹计算变得简单易行。笔者已将上述算法编成了计算机程序，使用非常方便。本文所用示例程序格式均以法国SAGEM公司生产的PRECIMLL四坐标数控铣床为准。
本文作者:湖南怀化师专计算机系、怀化师专数学研究所 乐光学原载:《机械工艺师》(现称《现代制造工程》)2000年第3-4期
上载于: 21:37:27
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螺纹加工编程
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加工螺纹的三种方法
     关键词： 数控加工 螺纹铣削 丝锥加工 挑扣加工 摘要：使用数控加工中心加工工件带来的益处，大家都已经深入了解，对于数控加工中心的操作和编程，还是有一层神秘的面纱。分享下螺纹的加工方法。用数控加工有：螺纹铣削法和丝锥加工、挑扣加工法三种方式。 　　一、螺纹铣削法　　螺纹铣削是采用螺纹铣削，用于大孔螺纹的加工，还有比较难加工材料的螺纹孔的加工，具有以下特点：　　1.刀具一般为硬质合金材料，速度快，铣削的螺纹精度高，加工效率也高；　　2.相同的螺距，无论是左旋螺纹还是右旋螺纹，都能使用一把刀具，降低刀具的成本；　　3.螺纹铣削法特别适用于不锈钢、铜等比较难加工材料的螺纹加工，易于排屑和冷却，能保证加工的质量和安全；　　4.没有刀具前端引导，比较方便加工螺纹底孔较短的盲孔或是没有退刀槽的孔。　　螺纹铣削的刀具分为机夹式硬质合金刀片铣刀和整体式硬质合金铣刀两种，机夹式刀具既能加工螺纹深度小于刀片长度的孔，也能加工螺纹深度大于刀片长度的孔；而整体式硬质合金铣刀用于加工螺纹深度小于刀具长度的孔；　　螺纹铣削数控编程注意点：以免造成刀具的损坏或加工错误。　　1.先将螺纹底孔加工好之后，用钻头加工小直径的孔，用镗削加工较大的孔来确保螺纹底孔的精度；　　2.刀具一般采用1/2圈的圆弧轨迹进行切入、切出，以保证螺纹形状，刀具半径补偿值应在此时带入。　　二、数控加工中心丝锥加工法　　适用于直径较小或孔位置精度要求不高的螺纹孔，一般情况，螺纹底孔钻头的直径选择接近螺纹底孔直径公差的上限，可以减少丝锥的加工余量，降低丝锥的负荷，同时也提高了丝锥的使用寿命。　　大家要按照所加工的材料进行选择合适的丝锥，丝锥相对于铣刀、镗刀来说；　　对被加工材料非常敏感；丝锥分为通孔丝锥和盲孔丝锥，通孔丝锥的前端引导长，为前排屑，在加工盲孔时候不能保证螺纹的加工深度，而盲孔前端引导较短，为后排屑，所以要注意两者的区别；使用柔性攻丝夹头要注意丝锥柄部直径及四方的宽度都要与攻丝夹头相同；刚性攻丝用丝锥柄部直径应与弹簧夹套直径相同。　　丝锥加工法的编程比较简单，都是固定模式，添加参数值就可以了，要注意一点，数控系统不同，子程序的格式也不同，那参数值的代表意义就不同。　　三、挑扣加工法　　挑扣加工法适用于箱体类零件上大螺纹孔的加工，或是没有丝锥和螺纹铣刀的情况下采用此法，在镗刀杆上安装螺纹车刀，进行镗削螺纹。实施挑扣加工法有以下几个注意事项：　　1.启动主轴要有延时的时间，保证主轴达到额定的转速；　　2.手磨的螺纹刀具的刃磨不能对称，不能采用反转退刀，要用主轴定向刀具径向移动，然后退刀；　　3.刀杆必须精确要与刀槽位置保持一致，否则不能采用多刀杆加工，造成乱扣现象；　　4.挑扣时压注意不能一刀挑成，即使是很细的扣也不行，否则会造成掉牙，表面粗糙度差，应该分多刀进行挑扣；　　5.挑扣加工法只适用于单件、小批量、特殊螺距螺纹和没有相应刀具的情况，加工效率低。　　数控加工中心挑扣加工法只是临时应急的一种方法，建议大家螺纹加工方法加工刀具，才能有效提高螺纹加工效率和质量，降低了加工成本也提高了加工中心使用的效率。
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