基于宏程序的倾斜圆柱凸台加工工艺改进

☞ 这是金属加工（mw1950pub）发布的第14031篇文章

编者按

---

基于宏程序编程，通过由线成面分层拟合的加工方式，改进倾斜圆柱凸台的加工工艺，再结合刀具的改进，实现高效率、高质量以及低成本的加工。

---

1  序言

宏程序因其变量之间可以运算，所以可用控制流向的语句去改变程序的方向，程序简洁，逻辑严密，具有模块化的资质和条件，在有规律的复杂轮廓加工中应用广泛。本文介绍运用宏程序编程，结合刀具的改进，巧妙解决圆柱铣削清根难题的方法。

2  零件结构及加工难点

零件图样如图1所示，材料为不锈钢。零件结构为圆柱管与底板斜相交的组合体，底板尺寸11mm×8mm×2mm，圆柱外圆尺寸，内孔尺寸φ（6±0.1）mm。圆柱管轴线与底板夹角为60°±0.1°，表面粗糙度值Ra=1.6mm，圆柱与平面相交清根R≤0.2mm。零件采用三轴或五轴机床拟合加工后都会在圆柱与平面相交处形成残料，如图2所示。

图1  零件图样

a）三轴加工

b）五轴加工

图2　拟合加工后形成的残料

由三轴加工中心加工后，残料部分通过电火花加工去除，然后钳工打磨表面达到要求。由于电火花加工不能完好地与已经加工好的外圆尺寸相接，钳工打磨空间小，圆度误差大，圆柱与平面相交处R不规则，所以无法保证尺寸要求，合格率只有60%。该方案合格率较低。

由五轴联动的方式加工，需要先用立铣刀或者球刀铣削大部分形状，再用直径0.4mm的球刀对圆柱与平面相交处进行精加工，保证圆柱与平面相交处R≤0.2mm。该方案能在一次装夹中完成所有形状的加工，但是由于精加工时刀具直径小，刚性差，切削速度低，进给量小，并且拟合分层多，所以生产效率低，且刀具成本高。

3  轮廓拟合思路分析

综上分析可见，三轴或五轴加工均存在缺陷，无法满足生产需要。本文介绍一种高效率、高质量且低成本的简便方法，即由线成面分层拟合的加工方式。要保证圆柱外圆尺寸，圆柱与平面相交处R≤0.2mm，并且外圆直径和平面处完美相接，最好的办法就是在一次加工中完成零件的外形轮廓。由线成面分层拟合的方式可以有效实现一次加工。

分层拟合原理如图3所示，圆柱面是由无数个直径相同且同轴的圆周线层叠组成，圆心点层叠组成圆柱面的轴线a，圆柱垂直于a轴的截面形状是圆。当用一个与圆柱轴线不垂直且不平行的面去截圆柱时，圆柱截面为椭圆。b轴为垂直于零件底板的轴线，圆柱垂直于b轴的截面形状是椭圆。

a）零件截面

b）圆柱沿b轴方向分层

c）垂直于b轴截面为椭圆

图3　圆柱分层拟合原理

椭圆截面的中心按30°方向规律性偏移，使无数个椭圆截面层叠形成椭圆柱面。由于刀具轴线永远垂直于底板上平面（A面），只要拟合无数个椭圆层叠，即可加工出符合尺寸要求的圆柱，并实现圆柱与平面相交处R完美相接。

4  加工改进

4.1 宏程序编制

由于截面形状为椭圆，层叠角度有规律，因此选用宏程序进行编程，程序简洁，逻辑严密，通用性极强，具有极好的易读性和可修改性。圆柱垂直于底板方向的形状为椭圆，采用CAD软件进行截面分析（见图4），得到椭圆的长半轴尺寸为4.041mm，短半轴尺寸为3.5mm。

图4　截面分析

椭圆截面中心位置的X坐标随Z方向发生深度偏移，偏移的三角函数关系为ΔX=ΔZtan30°。椭圆运用参数方程进行编程，使用细小的直线去拟合轮廓。为了满足圆柱尺寸精度，需要尽量缩短拟合线段的长度，因此应选用较小的步距角增量，此零件加工选用的步距角为0.5°。由不同位置的椭圆截面最终拟合成椭圆柱面。零件加工程序（以海德汉系统为例）如下。

1 BEGIN PGM A1 MM

2 BLK FROM 0.1 Z X-10 Y-10 Z-10

3 BLK FROM 0.2 X10 Y10 Z+0

4 TOLL CALL 1 Z S6000

5 L X+0 Y+0 FMAX M3

6 L Z+50 FMAX M8

7 FN 0：Q1=+0.05

8 FN 0：Q2=+1.96

9 LBL 110 Q3=-Q1+2

11 Q4=-Q1*TAN30

12 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT

13 CYCL DEF 7.1 X+Q4

14 L X+20 Y+2 FMAX

15 L Z+Q3 FMAX

16 L Z-Q1 F800

17 FN 0：Q7=-0.1

18 FN 0：Q8=+360.01

19 LBL 3

20 Q5=4.041*COS Q7

21 Q6=-3.5*SIN Q7

22 L X+Q5 Y+Q6 RL

23 Q7=Q7+0.5

24 FN12：IF +Q7 LT +Q8 GOTO LBL3

25 L Y-10

26 L Z+50 R0 FMAX

27 Q1=Q1+0.05

28 CYCL DEF 7.0 DATUM SHIFT

29 CYCL DEF 7.1 X+0

30 FN12：IF +Q1 LT +Q2 GOTO LBL1

31 L Z+50 FMAX M5 M9

32 M3033 END PGM A1 MM

4.2 刀具选择

由于零件倾角的影响，零件加工时刀具刀尖角度＜60°才能避免干涉，因此选择刀尖角55°、刀尖圆弧R0.2mm的燕尾槽刀具（见图5）进行加工。加工时采用较小的吃刀量、较大的进给量，以实现零件的高效加工。

图5  燕尾槽刀具

4.3 应用效果

采用改进后的加工方法，零件质量完全满足技术要求，合格率达100%。零件成品如图6所示。

图6　零件成品

5  结束语

实际生产表明，使用宏程序编程，实现由线成面分层拟合、一次性完成零件的加工，完全满足技术要求。此加工方法简化了编程内容，提高了生产效率，大大缩短了加工周期，降低了生产成本，为类似零件的加工提供了可借鉴的经验。

本文发表于《金属加工（冷加工）》2021年第10期第79~81页，作者：航空工业成都凯天电子股份有限公司 杨显君，聂有为，縢寿蔚，刘峻材，陈义，原标题：《基于宏程序的倾斜圆柱凸台加工工艺改进》。