| 摘要：以HCNC-1HA(华中I型)经济型数控铣床为例，从凸轮型面轮廓轨迹的实际加工问题出发，并结合经济型数控铣床的实际特点，介绍了经济型数控铣床加工凸轮时可以采用的最大刀具半径的确定方法。 |
前言
在数控机床上加工凸轮型面时，刀具半径的选择不仅影响到凸轮的加工精度，而且影响到机床的加工生产率，甚至影响到加工程序能否执行，因此，刀具半径的选择是一个必须考虑的重要问题。在保证凸轮型面的加工精度的条件下，为了提高加工系统的刚性和加工生产率，应该选用最大的刀具半径进行加工。
图1 凸轮部分轮廓图 |
图2 原因分析示意图 |
1 经济型数控系统本身不足对确定最大刀具半径的影响
在此就以华中I型数控铣床加工由简单圆弧组成的简单的平面凸轮轮廓(见图1)为例，提出问题。从工艺上讲，具有一定刀具半径的刀具完全可以加工大于或等于其刀具半径的凸轮轮廓，因而，在此采用刀具半径r=5 的立铣刀加工此凸轮轮廓。部分加工程序如下： … G90 G42 D01(r=5) … N009 G01 X-5 N010 G02 X5 Y-20 I5 J0 N011 G01 … … G40 … 对加工凸轮的工艺性和加工程序加以分析，应该是可以加工的，但是在华中I型数控铣床上却一再提示-“程序第10行刀具干涉”，不但不能正常地完成这一零件的加工，而且往往使系统陷于死机状态。经过仔细反复检查以上程序，确认无误。下面查找一下导致程序不能正常运行的原因。 分析数控系统在进行C功能刀具半径补偿运行该程序时，刀具中心的理论运行轨迹和N009、N010、N011 3个程序段处的转接情况(见图2)，可以发现导致该问题的原因。 刀具在N009、N010、N011三个程序段的实际运行轨迹是：EA直线段实现N009程序段的加工任务，AB、BC二个直线段是进行C功能刀具半径补偿时由直线加工N009程序段向圆弧加工N010程序段的伸长型过渡转接，刀具在C(C)点处实现整个半圆即N010程序段的加工任务，CB、BD二个直线段是进行C功能刀具半径补偿时由圆弧加工N010程序段向直线加工N011程序段的伸长型过渡转接，DF直线段实现N011程序段的加工任务。问题的关键在于对圆弧轮廓的加工上，本程序对圆弧轮廓的加工是在刀具由B点向C点运行的过程中或刀具在C点的短暂停留中实现的，这样一来就使得N010程序段中的圆弧插补G03指令没有实现其圆弧插补的运动，从而出现所谓的“刀具干涉”现象，这就是这一问题产生的根本原因。 针对数控系统中这一问题的产生原因，要想解决该问题，应该采用较小刀具半径的刀具进行加工。
图3 加工精度与刀具半径 |
2 凸轮加工精度要求对确定最大刀具半径的影响
- 凸轮轮廓由一系列直线段连接而成时
- 工程上的一些凸轮轮廓可以由长度足够小的微小直线段近似代替曲线来表示。在凸轮上任取相邻两直线段，当凸轮实体侧夹角a≤180°时，则加工此两直线段相邻部分时不必考虑加工精度对刀具半径大小的影响。当凸轮实体侧夹角a>180°时，则加工此两直线段相邻部分时必须考虑加工精度对确定刀具半径大小的影响。
- 当凸轮实体侧夹角a>180°时，称相应的节点P为凹点，在凹点处，实际的加工轮廓为一段圆弧。为了保证该凹点处的加工精度，最大许可的刀具半径可按图3进行分析，图中的虚线圆表示刀具。P点的加工误差
| D=P1P=OP-OP1= | r | -r |
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| sina/2 |
- 假定要求的径向公差为IT，可取D≤IT/5，由此可得许可的最大刀具半径
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| rmax= | ITsina/2 |
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| 5(1-sina/2) |
(1) | - 由式(1)，就可以根据公差IT和最大的夹角a来确定rmax，且a越大，rmax越小。
- 凸轮轮廓由一系列光滑曲线段连接而成时
- 组成凸轮轮廓的曲线段可以分为2种，一种是向外凸的曲线段，此时刀具半径大小不受这种曲线段的影响：另一种是向内凹的曲线段，此时要求刀具半径必须小于或者等于曲线段的最小曲率半径与D之和。
综上所述，在经济型数控机床加工凸轮时，为了提高加工系统的刚性和加工生产率，应该选用最大的刀具半径进行加工，为此应该综合考虑加工精度要求和经济型数控系统本身对刀具半径选择的影响。
