基于宏程序的带椭圆曲面复杂轴零件的加工

赵涓涓

（山西工程职业学院， 山西 太原 030009）

1 加工零件及方法

曲面轴是工业生产上常见的轴类零件，其外形轮廓通常比较复杂。而椭圆面作为曲面的一种，在工程实践的应用也非常广，一般情况下，如果对椭圆进行加工，可以选用CAM 软件进行自动编程，也可以选择用宏程序进行手工编程，两者相比，使用宏程序进行编程加工要比自动编程加工更加快捷、高效、灵活。本文主要介绍模拟仿真在数控车床型号CK6150，数控系统为FANUC 0i 上，采用用宏程序编程方法完成椭圆的加工。图1 所示为带椭圆曲面轴零件。给定的毛坯Φ65 mm×160 mm 的棒料，材料为45 钢，经正火、调质、淬火后具有一定的强度、韧性和耐磨性。

图1 带椭圆曲面轴零件（mm）

2 工艺分析

2.1 零件图样分析

如图1 所示零件的加工面主要由圆柱面、圆锥面、外沟槽、凹凸椭圆面、内孔和内螺纹组成。零件车削加工外成形轮廓较复杂，重要的加工部位为凹凸椭圆曲面，其他部位相对容易加工。该零件加工精度等级为IT8。表面粗糙度要求为全部Ra3.2。

2.2 确定装夹方案

数控车削中，该零件可采用三爪自定心卡盘进行装夹定位，保证外圆柱面对内孔圆柱面的同轴度要求。

该零件生产类型为单件生产，定位基准均选择在外圆柱段的左、右端面。

2.3 刀具及切削用量确定

根据零件加工要求，需要选用外圆车刀（加工外轮廓、端面、倒角）、外切槽刀（切槽、切断工件）、中心钻、螺纹车刀，刀片材料均采用硬质合金。刀具选择和切削用量如表1 所示。

表1 数控加工刀具使用卡

2.4 编制加工工艺

编制加工工艺，填写工序卡片（见下页表2）。

2.5 程序编制，宏程序完成椭圆面加工

2.5.1 完成零件部分轮廓加工

分别用G71、G92 等循环指令完成只剩凹凸椭圆面的其他所有要素的程序编制，加工生成的零件如下页图2 所示。

表2 加工工序卡

图2 完成部分轮廓加工零件图（mm）

2.5.2 完成零件加工

换外圆车刀，编制凹凸椭圆面加工程序，完成零件所有要素加工（见图3）。

图3 含凹凸椭圆面轮廓图（mm）

凹凸椭圆面加工是该零件的加工难点，要完成此要素的程序编制，需引入宏程序指令。宏程序是一种具有计算能力和决策能力的数控程序[1，2]。宏程序引入了变量和表达式，还有函数功能，具有实时动态计算能力，可以加工非圆曲线，如抛物线、椭圆、双曲线、三角函数曲线等。

2.5.2.1 宏程序编程思路

针对椭圆面的加工，采用宏程序编程的思路是采用直线段去逼近椭圆， 这时关键是求出椭圆象限圆弧上几个节点的坐标。而节点的计算较复杂，须借助宏程序中循环指令处理。求得各节点坐标后， 即可按相邻两节点间的直线来编写加工程序。

2.5.2.2 循环指令格式（当……时，循环）

格式：WHILE[条件式]DOm；（m=1、2、3）

……

ENDm；

当条件成立时，执行WHILE 之后的DOm到ENDm间的程序，程序段DOm至ENDm即重复执行；当条件不成立时，执行ENDm语句的下一个程序段。

2.5.2.3 编程流程图

完成零件凹凸椭圆面程序编制流程图如图4、5所示。

图4 凹椭圆面编程流程图

图5 凸椭圆面编程流程图

2.5.2.4 程序编制

N500 G54G99T0101

N501 S500M03

N502 G00X70Z2M8

N503 Z-31

N504 #1=20

N505 #2=20

N506 #3=10

N507 WHILE[#1GE-20]DO1

N508 #4=#3*SQRT[1-#1*#1/[#2*#2]]

N509 G01X[60-#4*2]Z[#1-52]F0.3

N510 #1=#1-0.1

N511 END1

N512 G00X70

N513 Z2

N514 M05

N515 M00

N600 G54G95T010

N601 S500M3

N602 G00X50Z-9

N603 #11=20

N604 #5=20

N605 #6=10

N606 WHILE[#11GE0]DO2

N607 #7=-#3*SQRT[1-#11*#11/[#5*#5]]

N608 G01X[40-#7*2]Z[#11-31]F0.3

N609 #11=#11-0.1

N610 END2

N611 G00X70

N612 Z2

N613 X300Z300

N614 M05

N615 M30

3 结论

图6 模拟完成零件加工

用宏程序能很好的完成椭圆的程序编制并加工，其仿真模拟如图6 所示。但在加工椭圆时，需要有以下注意事项：

1）车削后工件的精度与编程时所选的步距值有关[3]。步距值越小，加工精度越高；但减小步距值又会使数控系统工作量增大，影响进给速度，从而降低加工效率。因此，必须根据加工要求合理选择步距。

2）对椭圆轴中心与工件坐标原点不重合的情况，需要将工件坐标系编制后再编程加工。