在激烈竞争的今天,产品的个性化、多样化会在一定 程度上提升产品的竞争力。对于复杂零件的加工,在机械行 业,从工艺上来讲主要有工序分散和工序集中两大原则。工 序分散是传统的加工工艺,每台机床只完成一道或几道工 序。工序集中是在一次装夹过程中完成许多工序或全部工 序。例如要加工一个端面有外形轮廓的回转体零件,釆用传 统的加工方法只能是在普通的数控车床上加工回转体部分, 然后在数控铣床上装夹找正,继续端面外形轮廓的加工。这 样的工艺不能在一次装夹过程中完成所有工序的加工,工件 的二次装夹,势必影响零件的相互位置加工精度和生产效 率;如果釆用工序集中的工艺方法,就要有工序高度复合的 机床,车铣复合加工中心的出现,就为工序集中提供了机床保障。车铣复合加工中心是在直角坐标系的基础上,增加了 极坐标系功能,使得数控机床在一次装夹后既能进行外圆柱 面加工又能进行回转体类零件端面多边形轮廓或多边形凹 槽的加工。甚至还可以在工件端面进行盘形凸轮和刻字加工。
1、车铣复合加工中心的相关坐标及切削运动
数控车床在编程时使用右手直角笛卡尔坐标系,但是在 端面加工编程时使用极坐标系,这个坐标系的建立是在与车 床Z轴垂直的平面内,由互相垂直的虚轴(C轴)和实轴(X 轴)组成,极坐标系的坐标原点与程序原点重合,虚轴C轴 的单位不是度,而是毫米,且用半径值表示。
一般的车铣复合加工中心都有两种加工模式,根据加工 零件的结构使用不同的刀具系统,在其不同的加工模式支持 下进行加工。常用的加工模式:一是普通的车削加工模式, 在该模式下,车铣复合就等同于常规数控车床,工件的旋转 运动为主运动,主要动力来源于主轴伺服电动机,进给运动 有车刀的纵向或横向来完成,主要在X-Z平面内进行加工。 二是具有动力功能的铣削加工模式,在该模式下,工件的回转(C轴的回转)不再是主运动,它和X、Z轴一起完成进给 运动。而主运动切换到高速回转的旋转类刀具,它的动力主 要有C轴伺服电动机来提供。在该模式下,机床具有X、Z 和C (绕Z轴旋转的轴,简称C轴)三个坐标轴,此时两轴 联动机床变成三轴联动控制,当然也可以进行二维坐标编 程。主要是在X-Z平面;X-C极坐标平面;Z-C柱面。由于 篇幅有限这里只研究X-C极坐标平面的应用。
2、 极坐标插补功能对的定义
极坐标插补功能是将轮廓控制由直角坐标系中编程的指 令转换成一个直线轴运动(刀具的运动)和一个回转轴的运 动(工件的回转)。即将X-C极坐标系转换成直角坐标系, 执行极坐标插补指令后坐标原点仍为原工件坐标系的原点, 垂直于X轴的假想直线轴为C’轴,现在的C’轴不再是原 来表示工件回转角度的C轴而是表示长度的直线C’轴。如 图二,这种方法主要用于车床上切削端面或端面凸轮。
3、 极坐标插补功能 指令格式:
N…G12.1 启动极坐标插补方式
N…G13.1 极坐标插补方式取消
指令说明及编程注意事项:
(1) 在程序编制中实轴X的坐标用直径值表示,虚轴C 的坐标用半径值表示,不能用角度表示。
(2) 极坐标插补模式下刀具半径补偿算法与其它坐标模
式下算法不同,因此在机床处于刀具补偿模式下,G12.1指 令不能被执行,要想执行G12.1插补模式机床必须处于刀具 补偿取消状态。
(3) 在指定指令G12.1之前,必须设定一个工件坐标系, 回转轴中心是该坐标系的原点,且在G12.1方式中,坐标系 绝对不能改变。
(4) 在执行G12.1指令过程中,不能使系统复位或断开 电源等操作,否则极坐标插补被取消。刀具将撞向工件,造 成刀具损坏或损坏机床。
(5) 在使用刀具半径补偿模式时,注意铣刀半径输入机 床,否则造成工件过切或欠切。
(6) 启动极坐标插补方式G12.1,极坐标插补方式取消 G13.1必须在单个程序段内使用。
4、回转轴的切削进给速度
极坐标插补将直角坐标系中的刀具运动转换为回转轴 (C-轴)和直线轴(Z-轴)的刀具运动,当刀具移动到快接 近工件中心时,进给速度的C-轴分量变大,会超过C-轴的 最大切削进给速度(由机床参数设定),产生报警,为防止 C-轴分量超过C-轴最大切削进给速度,应降低F地址指令的 进给速度,或者编程程序使刀具不能接近工件中心。
如图三,在直线L1、L2和L3中,AX是刀具在直角坐 标系中进给速度为F的单位时间内移动的距离,当刀具从L1 移动到L2和L3时,刀具在直角坐标系中对应于AX每单位 时间移动角度增加从a1到a2到a3。换句话说,进给速度的c-轴分量在刀具接近工件中心时变大了。因为在直角坐标 系中的刀具运动已经转换为C-轴和X-轴的刀具运动,进给 速度的c分量会超过c-轴的最大切削进给速度。
L:当刀具中心接近工件中心时刀具中心和工件中心之间 的距离(以mm为单位)
RC轴的最大切削进给速度(deg/min)
则,在极坐标插补中可以用地址F指令的速度可由下列 给出,指令的速度允许值,由该式计算,且提供理论值;实 际使用时,由于计算误差,必须使用比理论值稍小一些的值。
5、极坐标插补功能应用案例(外六角堵头的加工)
由于篇幅有限,本零件非极坐标插补程序将省去,在这 里只编制端面外六方轮廓程序(极坐标插补功能的应用)。
在编程之前,须确定加工时刀具所经过的工件各点在极 坐标系XOZ中的坐标值(X向为直径值,C向为半径值), 刀具的切削路线为(如图四):PA-P1-P2-P3-P4-P5-P6-PE, 坐标值为:PA(X36.4,C17)P1(X36.4,C10.5)P2(X36.4, C-10.5)P3(X0,C-21)P4(X-36.4,C-10.5)P5(X-36.4, C10.5)P6(X0,C21)PE(X46,C7.7)。
参考程序: |
说明 |
00003; |
程序名 |
T1010; |
设定刀具 |
G94F150; |
定义进给量 |
G97S1500M13; |
设定铣刀转速 |
M52; |
启动C轴,进入铣削状态 |
G12.1; |
极坐标插补生效 |
G41G01X36.4C17F200; |
进行刀具半径左补偿 |
Z-34; |
刀具定位至Z-34处 |
X36.4C10.5; |
刀具由PA-P1 |
C-10.5; |
刀具由P1-P2 |
X0C-21; |
刀具由P2-P3 |
X-36.4C-10.5; |
刀具由P3-P4 |
C10.5; |
刀具由P4-P5 |
X0C21; |
刀具由P5-P6 |
X46C7.7; |
刀具由P6-PE |
|
Z5; |
刀具退刀至Z5处 |
G40X60Z10; |
取消刀具半径补偿 |
G13.1; |
取消极坐标插补模式 |
M53; |
取消C轴,机床退出铣削状 |
|
态,进入车削状态 |
M15; |
铣刀旋转停止 |
G0X80Z100; |
退刀至安全位置 |
M30; |
程序结束 |
|
|
结束语
目前的车铣复合加工中心正朝着更大工艺范围、更高效 率、大型化以及模块化的方向发展,已不再局限于三轴联动 的车铣中心,在国外已有五轴联动的以车为主同时兼顾强大 功能的铣、磨等工作复合的多功能机床。运用在航空航天、 精密制造、汽车制造等各个领域。其优点是工序高度集中, 在一次装夹后完成大部分或全部工序,从而提高零件的行为 精度及生产效率提供了有力保证。但是车铣复合加工机床在 我国的使用才刚刚起步,还有很多问题需要解决,特别是加 工工艺、编程技术、机床维护、生产管理等领域也急需研究 提高。值得庆幸的是有很多院校和企业已加入研制工序高度 复合的机床行列。
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