垂直圆柱相贯外形的宏程序加工探索

2022-09-29王锋强

新技术新工艺 2022年8期

关键词：步距宏程序子程序

王锋强，王涛

(航空工业庆安集团有限公司，陕西西安 710077)

随着航空制造业的发展，具有曲面外形的零件越来越多，如何成组化提高加工质量和加工效率，已成为企业生产关注的焦点。经过实际加工总结，本文就垂直圆柱相贯外形的宏程序加工进行了分析研究。

1 模型简介

1.1 零件建模分析

相贯圆柱类外形在航空产品零件中较为常见，其大小不等，形态各异，但其本身可简化为2个直径相同或不同的圆柱体相贯在一起的结构[1]。图1所示为垂直圆柱相贯外形的三维模型及该类外形各相关尺寸的设置，R沿周处及其周围区域即为需要加工的圆柱相贯外形。

机械加工过程中，具有相贯外形零件的加工流程(见图2)如下：车削加工零件Φ或Ψ圆柱外形，去除其余大余量，最终清根精加工相贯部分。

1.2 相关尺寸计算

在数控加工中，CAM软件在编制数控程序时会根据用户设置自动计算加工精度，保证零件表面加工质量，而使用宏程序加工则需根据其数学模型(见图3)来计算其加工精度。在根据刀具动态补偿原理推算曲面的数学关系的同时，还需推导刀具动态补偿残余高度的算法和刀具动态补偿虚拟仿真的实现[2]。

1.2.1 数学关系计算

图1中所需加工部分为两圆柱相贯所形成的空间曲面R(沿周)，为了简化数学计算关系，可按图3建立坐标系，以两圆柱轴线交点为程序原点，设大圆半径为R，小圆半径为r。刀具动态加工切点在YZ平面内，切点R圆心连线与r轴线夹角为α；在XY平面内，切点r圆心连线与R轴线夹角为θ。相关数学模型计算[3]如下。

在俯视图XY平面内，X、Y坐标为：

X=rcosθ

Y=rsinθ

(1)

在左视图YZ平面内，Y、Z坐标为：

Z=Rcosα

Y=Rsinα

(2)

根据图3所示几何关系可得：

Y=rsinθ=Rsinα

(3)

由R2=Z2+Y2可得：

(4)

1.2.2 动态补偿计算

根据零件加工质量要求，需要反推计算加工中刀具动态补偿步距角[4]。例如：按图1中零件表面粗糙度要求Ra3.2 μm，根据表面粗糙度定义，可创建表面粗糙度与步距角间的相互关系(见图4)。在铣削加工中，刀具所走过的圆弧路径均由小段直线段组成，所以可近似认为表面粗糙度是刀具所走直线段为弦的弧的高度差(3.2 μm=0.003 2 mm)。而在图3中，XY平面内弧半径即为小圆半径r值，由图4可得：

H=r-0.003 2

(5)

Δθ=2β

因此，Δθ=2β=2arcos(1-0.003 2/r)，由此可得步距角变量值Δθ的准确值。

在图3中，YZ平面内弧半径即为大圆半径R值，同理参照图4可得：

H=R-0.003 2

(6)

Δα=2β

因此，Δα=2β=2arcos(1-0.003 2/R)，由此可得步距角变量值Δα的准确值。

由Δθ、Δα的计算式可知，当rΔα，所以在确定步距角时，可直接选取Δα，即可保证零件表面要求。

2 程序编写

2.1 加工刀具选用

在宏程序加工相贯空间曲面时，需要保证圆角R值，该R为刀具切削所得，因此所选用铣刀刀尖半径应与R尺寸一致。同时在加工过程中，由于刀具切削路径是空间曲线，为了防止刀具底刃扎刀、干涉、过切等问题，需要选用球头铣刀，所以根据所加工零件尺寸要求，可确定加工刀具为R的球头刀[5]。

2.2 加工路径选择

根据零件结构，加工时铣削路径可以在XZ平面内Z轴向分层或在XY平面内X径向分层(见图5)。

很显然，在用球头刀加工时，Z轴向分层切削最终在零件根部会存在残余，需要进一步清根处理；而X径向分层切削则不会存在这种情况[6]。因此，X径向分层是理想的加工路径。

2.3 宏程序编制

根据上述分析及计算，以Fanuc 0i系统为例，加工宏程序编制[7]如下：

O0001 (程序编号)

#1=__ (上端小圆柱加工前毛坯半径r赋值)

#2=__ (下端大圆柱半径R赋值)

#3=__ (步距角θ起始角度赋值)

#7=__ (切削刀具直径)

#8=#7/2 (切削刀具半径)

#4=COS#3*[#1+#8] (X轴坐标)

#5=sin#3*[#1+#8] (Y轴坐标 )

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5] (Z轴坐标 )

#9=__ (上端小圆柱最终半径r赋值)

T3 M6 (调取加工刀具)

G0 G90 G54 X[#1+#7] Y0 S3000 M3 (程序开始，定位于G54安全高度)

G0 G43 H3 Z[#2+10] (快速走到Z向加工高度并加刀长补偿)

G01 Z#2 F1000 (直线进刀至大圆柱上端面)

N4 #3=0 (定义子程序4，并给步距角θ重新归零)

G01 X[#1+#8] F200 (直线切削进刀至小圆柱右端面)

N1 G01 X#4 Y#5 Z[#6-#8] (定义子程序1，并按点位三轴联动直线切削进刀)

IF [#3EQ360] GOTO2 (判断步距角θ≤360°时，执行子程序2)

#3=#3+0.5(Δθ) (给步距角#3自加，重新赋值)

#4=COS#3*[#1+#8] (重新计算X轴坐标)

#5=sin#3*[#1+#8] (重新计算Y轴坐标)

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5] (重新计算Z轴坐标)

GOTO1 (调用子程序1)

N2 IF [#1LE#9] GOTO3 (定义子程序2，判断r，若成立，则调用子程序3)

#1=#1-0.1(Δr) (X径向分层，半径r自减，重新赋值)

GOTO4 (调用子程序4)

N3 G0 Z200 G40 (定义子程序3，退刀)

M30 (程序结束)

注：程序中的步距角变量Δθ可由零件表面粗糙度值、R尺寸要求，通过下式计算得到：

(7)

同时为了防止计算余数问题，半径变量必须可以被半径余量尺寸整除，即Δr=(#1-#9)/n。

该宏程序适用于加工中心，可完成垂直圆柱相贯外形的加工，而对于不同尺寸的相贯外形，只需更改宏程序中r、R、刀具直径等参数即可进行加工[8]。

3 实例分析

3.1 零件分析

某航空产品零件的三维模型如图6所示。

3.2 参数计算

根据零件尺寸要求，上述零件对应宏程序中各参数如下：1)加工前毛坯半径r=34.55 mm；2)下端大圆柱半径R=72.9 mm；3)步距角起始角度θ=0°；4)上端小圆柱最终半径r=25.95 mm；5)圆角半径为R4，刀具选用φ8球头铣刀；6)Δθ=2arcos(1-0.003 2/R)≈1.1°，为保证Ra3.2 μm表面粗糙度，可令Δθ=1°；7)Δr=(#1-#9)/n=8.6/n，令n为整数43，可得Δr=0.2 mm[9]。

将上述各参数代入宏程序中，可得程序如下(坐标原点为两圆柱轴线相交中心)。

O0001

#1=34.5

#2=72.9

#3=0

#7=8

#8=#7/2

#4=COS#3*[#1+#8]

#5=sin#3*[#1+#8]

#6=SQRT[[#2+#8]*[#2+#8]-#5*#5]

#9=25.95

T3 M6