高速高精度扩孔的NC刀具轨迹设计

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1 前言

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箱体是一种常见的加工对象，它的结构形状比较复杂，在箱体上有各种轴承支撑孔和紧固孔，而这些孔的精度与粗糙度又要求较高，所以，通常都是用数控机床来加工。如何设计孔加工的NC刀具轨迹，既可以保证加工的精度又能提高加工效率，是实际工作中经常要碰到的问题。

此处谈到的扩孔是指所有大径孔的加工，分为有无预制孔、是否为通孔等多种情况，其数控机床刀具的加工轨迹设计十分复杂。笔者对刀具参数、孔的形状进行了研究，提出了一种高速、高精度扩孔的NC刀具轨迹设计方法。
8 y; V2 w$ O4 E2 U3 x5 |$ M7 E1 t7 w. o1 E" H- ~4 M7 i/ K7 z3 C0 }2 Q6 W; k! j9 W, H" I V+ u) X: {) V( j% @+ r3 P+ I& @9 P: |! w0 `4 s' P- l0 o9 M9 F) E# P5 b U$ r

图1 刀具加工轨迹
(a)	(b)
图2

2 螺旋扩孔加工

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用铣削等方法扩孔加工可以分为三个阶段：导入、加工和退刀。 ) M, M# i* V, t5 ^

目前扩孔常用的方法是一层一层加工，即刀具先向下切削导入到一定的深度，再向外扩孔，达到需要的孔径后，刀具退出，一层加工完毕。然后再重复上述动作加工第二层，直到孔加工完成，这实际上是2.5轴加工。这种加工不但费时，精度也难以保证。另外一种方法是从内向外加工，即从最上面开始，螺旋向下加工完中间的小孔，然后退回上面起始点再向外扩孔，直到孔加工完成。这种螺旋扩孔加工是一种三轴联动的铣孔，它具有加工质量好、加工效率高等优点，但刀具轨迹设计比较困难。现介绍如下：①由刀具半径R和用户设定的加工重叠率k=(R-r₁)/R，确定第一次加工的刀具中心运动半径r₁=(1-k)R(加工重叠率k决定加工重叠区域，见图1)；②刀具由圆心沿半径r₁/2的小半圆螺旋线导入，深度为P/4。其中螺距P=H/(N+0.25)，H为孔的深度，N为螺旋圈数；③刀具以半径r₁、螺距P进行螺旋扩孔加工N圈；④刀具绕半径r₁圆周走一圈，将底部加工干净；⑤刀具沿半径r₁/2的小半圆弧退出加工面，回到圆心；⑥刀具沿轴心线由孔底部回到孔的上部，见图2a。 , Q$ j" k' ?1 n V8 N. C6 K

当{孔的半径>[刀具半径×(2-k)]}时，还需进行第二次扩孔，方法与前面一样，只是第二次加工的刀具运动半径为r₂= r₁* 2R(1-k)。 , h4 x; l7 x9 q) b$ v

同理，当{孔的半径>n[刀具半径×(2-k)]}时，需要进行n+1次扩孔，方法与前面一样，第n次加工的刀具运动半径为r_n=r_n-1+2R(1-k)，式中n为正整数见图2b。

下面为刀具轨迹相关部分的G 代码： 4 v; k: g# ?$ m( ?- k! A7 |4 ?

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G91 G17 G00

G92 X0.0 Y0.0 Z100.0 ) G2 y" r t$ _& O! k

X-72.792 Y-13.986 ! E* j( [! ]# Y) \. T

Z-95.0 - ]" F" n% Q& C) N, k

G01 Z-15.0 F72 S6543

G03 X4.95 Y4.9 I-4.95 J-4.95

X-4.95 Y-4.95 R3.5 . B5 z# r) Y5 Z# t( ^3 j( U

G00 Z15.0

在有预制孔的时候，以预制孔的半径代替r₁即可。

图3 螺旋扩孔加工实例

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3 通孔加工的退刀问题

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上节介绍的为盲孔加工，刀具在底部要沿圆周走一圈，以保证加工精度。如果是通孔时，可以根据加工参数来判断是否要走这一圈。加工通孔时要设定刀具的切出长度，当切出长度小于螺旋加工的螺距时，一定要走一圈，否则会产生孔壁的漏切：当刀具的切出长度大于螺距时，最后一圈可以省略不走，直接沿小半圆弧退出即可。这样可以在不降低加工精度的情况下，节省加工时间，提高加工效率。 8 J4 `4 p( I9 Z+ U% m

4 结束语

该刀具轨迹设计方法已成功地用于生产加工，精度及效率均有明显提高。如传统的一层一层扩孔，用R=30mm的刀具，加工一直径为Ø150mm、深200mm的孔时，需用19.5min，改用本文的方法仅用时10.2min。图3为采用螺旋扩孔加工的示例，经过三次扩孔，其中r₁=15mm、r₂=36mm、r₃=60mm。 ! L. k: F1 F% L3 @8 w0 X- R

同时，传统的一层一层加工，刀具要常常退出和导入，产生停顿，影响孔面加工质量。而采用螺旋扩孔加工时，最外一层是一次加工完成，没有停顿，可以提高加工表面质量。稍加改动本方法还可以用于型腔加工。

通过与企业的多年合作，发现像这类生产中亟需解决的技术问题还很多，它在一定程度上制约了我国机械加工水平的提高。今后我们还将继续从事与生产实践密切相关的技术研究，希望能为国家机械工业的发展出一份力。

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