數(shù)控車床上的多邊形車削
2022-6-20 來源： 濟南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：李尚波
摘要：銑削并非加工多邊形零件的唯一方法。多邊形零件也可以在數(shù)控車床上車削出來，而且效率能夠比銑削加工高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。但以這種方式加工多邊形零件時，數(shù)控車床必須配置 2 把（或多把）旋轉(zhuǎn)車刀，數(shù)控系統(tǒng)也要具備相應(yīng)的特殊功能?；诖耍榻B多邊形車削的原理及其在
FANUC 0I 數(shù)控車床（Computer Numerical Control，CNC）和 SINUMERIK CNC 系統(tǒng)中的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：多邊形；車床；數(shù)控；旋轉(zhuǎn)車刀；刀盤軸；主軸
多邊形零件隨處可見，諸如連接操作手柄的方桿、六邊形螺母、六角頭螺釘及螺栓等。因為多邊形銑削是銑床的典型功能，所以銑削是人們加工多邊形零件的常用加工方法。除銑削外，多邊形零件也可以在數(shù)控車床上車削出來，而且效率能夠比銑削加工高數(shù)倍甚至數(shù)十倍。
1、多邊形車削的原理
眾所周知，一般車削時工件高速回轉(zhuǎn)、車刀沿軸向進給切削會使工件形成圓柱表面。但是，若在車削時車刀也按要求和工件同時旋轉(zhuǎn)，則可形成刀尖相對于工件的多邊形運動軌跡。這種方式與銑削時刀具在工件表面上旋轉(zhuǎn)，由進給運動產(chǎn)生平面或其他輪廓面有著本質(zhì)的區(qū)別，因此仍屬于車削的范疇，即多邊形車削。
如圖 1 所示，A 為工件旋轉(zhuǎn)中心（主軸中心）和刀具（車刀）旋轉(zhuǎn)中心（回轉(zhuǎn)刀盤中心）之間的距離，B 為刀具回轉(zhuǎn)半徑；設(shè)定工件和刀具的回轉(zhuǎn)角速度分別為 α 和 β；以工件中心為 X-Y 笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點，則刀盤中心和刀尖的初始位置分別是 P0（A，0）和 Pt0（A-B，0）。為方便計算，把主運動（即工件的旋轉(zhuǎn)運動）等效為刀架在相反方向繞工件中心的回轉(zhuǎn)，則車刀的運動即為其本身繞刀盤中心的回轉(zhuǎn)和刀盤繞工件中心回轉(zhuǎn)的復(fù)合運動。經(jīng)過任意時刻 t后的刀尖位置
Pt 為（Xt，Yt），如圖 2 所示，可以用式（1）和（2）來表示：
圖1 工件和刀具的回轉(zhuǎn)路徑示意圖
圖 2 任意時刻后的刀尖位置
由式（1）～（4）可知，刀具的刀尖相對于工件運動的軌跡是長徑為 A+B，短徑為 A-B 的橢圓。因此，若在 180°的對稱位置各放 1 把刀具，就可以加工出如圖 3（a）所示的四邊形。同理，若每隔 120°放置1 把刀具，且旋轉(zhuǎn)比為 1:3 時，則會形成如圖 3（b）所示的六邊形。
圖3 刀具加工軌跡
當(dāng)然，這些多邊形的邊并非嚴(yán)格意義上的直線，但若 A 與 B 足夠接近，即 A+B 與 A-B 之間的差值足夠大，則由此產(chǎn)生的形狀誤差便可忽略不計，一般取A ≤ 1.5B。
2、多邊形車床的結(jié)構(gòu)
根據(jù)上述多邊形車削的原理，在普通車床的小托板上，除通常使用的四方刀架外，再在主軸軸線的另一側(cè)安裝（即后置安裝）一個軸線與主軸平行的回轉(zhuǎn)軸箱，其箱外靠近主軸一側(cè)的軸端安裝車刀刀盤，即為刀盤軸和刀盤軸箱。刀盤軸由主軸箱及刀盤軸箱中的齒輪傳動，更換掛輪可實現(xiàn)主軸與刀盤軸之間 1:2或 1:3 等不同的傳動比的傳動，配合使用對稱安裝不同數(shù)量（如 2 把、3 把）車刀的刀盤，即可車削出 4邊、6 邊等不同邊數(shù)的多邊形。因此，多邊形車床的結(jié)構(gòu)即在普通車床的基礎(chǔ)上加裝刀盤軸箱及其傳動系統(tǒng)。顯而易見，這種傳動結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，設(shè)計制造多邊形車床并非易事。
因為數(shù)控多邊形車床無需主軸與刀盤軸之間的機械傳動鏈，所以數(shù)控車床卻能很好地解決這種問題。因此，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，基本解決了數(shù)控多邊形車床在機械傳動方面的難度，但實際加工時數(shù)控系統(tǒng)要具備相應(yīng)的功能，同時還要把刀盤軸配置為一個回轉(zhuǎn)伺服軸（FANUC 0I CNC 系統(tǒng)）或第二主軸（SINUMERIK CNC 系統(tǒng)）。為同步刀盤軸與主軸之的轉(zhuǎn)速比率，在主軸上需要安裝位置編碼器以向刀盤軸提供即時動態(tài)同步信號。除此之外，還須正確設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，使用時還要正確編程。典型數(shù)控多邊形車床主軸、刀盤軸、回轉(zhuǎn)刀架之間的結(jié)構(gòu)布局如圖 4 所示。
圖4 典型數(shù)控多邊形車床的結(jié)構(gòu)布局
3 、多邊形車削的設(shè)定和編程
FANUC 0I 系列 CNC 系統(tǒng)中在刀盤軸配置為伺服軸的情況下，要先將其設(shè)定為回轉(zhuǎn)軸，其主要參數(shù)如表 1 所示。
表 1 FANUC 0I 系列 CNC 設(shè)定回轉(zhuǎn)軸的主要參數(shù)
另外，必須設(shè)定參數(shù) 7610 為該回轉(zhuǎn)軸的控制軸號，由此來確定該軸為多邊形車削中的刀盤軸。正確設(shè)置參數(shù)后，按照如下編程即可車削出所需的多邊形（前提是選項功能有效）：G00 X30.0 Z2.0 S1000 M03;（快進至工步起點同時啟動主軸，工件轉(zhuǎn)速 1 000/r•min-1）G51.2 P1 Q2;（啟動刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤轉(zhuǎn)速 2 000/r•min-1，
此處 2 把車刀）G01 X20.0 F1.0;（X 軸切入：吃刀）Z-30.0;（Z 軸進給：走刀）G00 X30.0;（X 軸退刀）G50.2;（停止刀盤旋轉(zhuǎn)）M05（停止主軸）此程序能夠車削出長 30 mm、截面邊長為 20 mm的正方形棱柱。其中 G51.2 P1 Qn（例中 n=2）為多邊形車削功能啟動指令，它能夠使工件（主軸）和車刀（刀盤軸）的旋轉(zhuǎn)在任一時刻都嚴(yán)格保持 1:n 的速比，G50.2 為功能結(jié)束指令。
在 SINUMERIK 系列系統(tǒng)中，多邊形車削是利用主軸同步功能實現(xiàn)的，因此須將刀盤軸設(shè)定為第二主軸，即其軸參數(shù) MD35000 $MA_SPIND_ASSIGN_TO_MACHAX 須設(shè)定為 2。編程時使用指令 COUPDEF（S2，S1，n.0，1.0），其中（n=2，3，…，n），定義 S1（主軸）和 S2（刀盤軸）之間的速比為1:n 的同步關(guān)系，COUPDEL（S2，S1）為取消定義；同步啟動指令為 COUPON（S2，S1），結(jié)束指令為COUPO（S2，S1）。其他起始、切入、走刀、退刀等程序段與上述 FANUC 程序相同。
4、結(jié)語
多邊形加工零件的質(zhì)量取決于系統(tǒng)的品質(zhì)及刀盤軸的伺服響應(yīng)特性、反饋原件（主軸位置編碼器）的性能以及伺服電機與刀盤軸之間傳動器件（聯(lián)軸器）的品質(zhì)等?，F(xiàn)如今，多邊形車床的設(shè)計制造已經(jīng)非常簡化，且多邊形車削的邊數(shù)、大小都能夠以編程實現(xiàn)，使得多邊形車削更加方便、靈活。除 FANUC 和SINUMERIK 系統(tǒng)外，西班牙的 FAGOR、臺灣省的SYNTEC 以及部分國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)等均可實現(xiàn)多邊形車削。但是無論哪種系統(tǒng)，都需正確設(shè)定和編程。因此，相關(guān)人員應(yīng)重點關(guān)注數(shù)控系統(tǒng)的編程工作，以確保加工零件符合要求。
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