1 引言
1952 年 3 月, 美國(guó)麻省理工學(xué)院在美空軍資助下, 研制成功了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床, 從此數(shù)控技術(shù)快速發(fā)展并推廣至全世界[1] 2000-2010 十年的時(shí)間里面, 國(guó)內(nèi)的大型機(jī)床制造廠：如沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司、大連機(jī)床廠、上海機(jī)床有限公司廠、北京第一機(jī)床廠等老牌企業(yè)穩(wěn)步發(fā)展, 而中小規(guī)模的數(shù)控機(jī)床廠國(guó)內(nèi)已有百來(lái)家, 行業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了機(jī)床工業(yè)的快速發(fā)展[2]
《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020 年)》 明確規(guī)定了 “逐步提高我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造成套裝備的自主開發(fā)能力, 滿足國(guó)內(nèi)主要行業(yè)對(duì)制造裝備的基本需求”. 專項(xiàng)實(shí)施方案提出： 形成以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系 ; 培養(yǎng)和建立一支高素質(zhì)的研究開發(fā)隊(duì)伍. 作為中國(guó)數(shù)控后備人才培養(yǎng)搖籃的高職和高等院校, 肩負(fù)著人才再培養(yǎng)這一重任.
教學(xué)中, 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用技術(shù)分為三大塊：編程技術(shù)、操作技術(shù)和維護(hù)技術(shù). 筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：編程和基本的操作技術(shù)是學(xué)生容易理解和掌握的, 而對(duì)刀技術(shù)、刀具形狀的選擇和機(jī)械坐標(biāo)系的重新設(shè)定等直接影響零件加工形狀和精度的問(wèn)題卻是學(xué)生經(jīng)常忽略的, 筆者把這三個(gè)問(wèn)題, 統(tǒng)一歸結(jié)為數(shù)控機(jī)床的實(shí)用對(duì)刀技術(shù)問(wèn)題.
數(shù)控車床作為數(shù)控機(jī)床中的一類, 主要功能是加工軸類零件和鉆中心孔, 是數(shù)控機(jī)床中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單, 操作最為方便的, 熟練掌握它的實(shí)用對(duì)刀技術(shù)能觸類旁通地掌握其他類型的數(shù)控機(jī)床的對(duì)刀技術(shù), 如數(shù)控銑床, 加工中心等.
本文以大連機(jī)床廠的CKA6136數(shù)控車床為例子, 以個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為指導(dǎo), 論述了數(shù)控車床所必須掌握的一些實(shí)用對(duì)刀技術(shù), 包括：基本對(duì)刀, 刀具形狀選擇和機(jī)械坐標(biāo)的重新設(shè)定三個(gè)問(wèn)題.
2 數(shù)控車床的基本對(duì)刀技術(shù)
在數(shù)控車床加工中, 將刀具抽象看成一個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn), 該點(diǎn)的軌跡即是所加工的零件形狀, 因此數(shù)控車床的對(duì)刀即是確定旋轉(zhuǎn)刀架上各把車刀的刀尖中心所在的獨(dú)立工件坐標(biāo)系過(guò)程, 如圖 1 所示[3]. 圖中,
以x軸作為所加工零件的徑向坐標(biāo), 以z軸作為所加工零件的軸向坐標(biāo), 下文同.
基本的對(duì)刀技術(shù)包括：?jiǎn)伟衍嚨秾?duì)刀和多把車刀對(duì)刀.
2. 1 單把車刀的對(duì)刀
以刀片形狀為等邊三角形(刀桿型號(hào)：MTJNR2020K16)的外圓車刀為例子分析單把車刀對(duì)刀的過(guò)程.
在工件坐標(biāo)系建立之前, 還要考慮到車刀安裝后刀尖中心是否處于軸心位置的, 因此, 單把車刀的對(duì)刀包括：刀尖中心的高度調(diào)整和工件坐標(biāo)系的建立兩個(gè)過(guò)程.
若刀尖中心點(diǎn)與工件對(duì)稱軸軸線處于同一水平線上, 則能正確加工出零件的形狀, 如圖2-a所示. 若刀尖中心偏離于工件軸線所在水平線, 則會(huì)直接影響到所加工零件的形狀尺寸或者對(duì)刀具產(chǎn)生不必要的磨削.
具體有以下兩種情況：
(1)刀尖中心偏低：該情況下, 所加工的零件端面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小凸緣, 其會(huì)直接影響所加工零件尺寸, 如圖 2-b 所示.
(2)刀劍中心偏高： 該情況下會(huì)使得車刀的主切削刃的下部與待加工工件產(chǎn)生碰觸, 損壞車刀, 如圖 2-c所示.
對(duì)于上述兩種情況, 實(shí)際中生產(chǎn)中的解決辦法如下：
若刀尖中心偏低，僅僅需要采用砂紙或者薄鋼片進(jìn)行高度的微調(diào)，調(diào)整至圖 2-a 所示；若刀尖中心偏高, 需先測(cè)量圖 2-c 所示的高出值 h, △ 并將車刀刀片朝上, 水平置于銑床工作臺(tái)上, 用夾具加緊后, 用盤型銑刀銑削已量出的刀桿高出值 h, △ 最后采用砂紙或者薄鋼片進(jìn)行刀尖高度的微調(diào), 直至調(diào)整至圖 2-a 所示.
工件坐標(biāo)系的建立有兩種方法： 一為使用對(duì)刀儀的方法, 二為試切對(duì)刀法. 實(shí)踐中試切法具有簡(jiǎn)單, 經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn), 本文即介紹試切法建立單把車刀的工件坐標(biāo)系的過(guò)程, 具體步驟如下：
(1)MDI(Manual Data Input)模式, 在面板中輸入 M03 S650, 即設(shè)置主軸以 650r/min 的轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn) ;
(2)切換至手搖脈沖模式(Handle), 選擇*100 的倍率, 即脈沖當(dāng)量為 0. 1mm/脈沖, 接近試切毛坯件, 如圖 3-a 所示 ;
(3)手搖模式, 鎖定 z 軸, 選擇*1 的倍率, 勻速且快速地沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)盤, 控制車刀沿著試切毛坯件軸向切削一薄層, 如圖3-b所示. 注： 軸向切削的長(zhǎng)度 L 以量具能夠正確測(cè)量為參考值，實(shí)踐中以 L=5~10mm 長(zhǎng)度為宜。切削層不可太厚，否則超過(guò)刀具的切削量，亦不可太薄，否則毛坯氧化層無(wú)法完全去除，造成步驟（6）中由于工件的不對(duì)稱性而產(chǎn)生較大的測(cè)量尺寸誤差，實(shí)踐中一般以單邊切削層厚度=0.8~1.2mm 為宜。
(4)選擇*100 的倍率, 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖轉(zhuǎn)盤, 快速地沿著軸向(徑向方向絕對(duì)不能改變)退出車刀, 按控制面板上的 RESET 按鍵, 停止主軸的轉(zhuǎn)動(dòng), 如圖 3-c 所示.
(5)控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件選擇坐標(biāo)系選項(xiàng). 在 G54 坐標(biāo)系中, 將光標(biāo)移至 X 坐標(biāo)位置, 輸入 X0, 按軟件測(cè)量, 系統(tǒng)自動(dòng)將車刀當(dāng)前所在的徑向位置, 即機(jī)械坐標(biāo)OXZ中的X數(shù)值讀入, 作為該把車刀的工件坐標(biāo)系x=0的位置 ; Z軸的操作亦相同. 至此預(yù)先建立一個(gè)如圖 3-c 所示的工件坐標(biāo)系 ox1z1.
(6)用螺旋測(cè)微器量出圖 3-b 中試切毛坯件的直徑 Φd, 將步驟(5)中的 X 坐標(biāo)值減去 Φd, 作為該把車刀
G54 工件坐標(biāo)系的 x=0的位置, 即可建立出圖 3-c中所示的工件坐標(biāo)系 ox2z2.
注：數(shù)控系統(tǒng)中的徑向尺寸, 不論是機(jī)械坐標(biāo)系, 還是工件坐標(biāo)系, 均以雙邊尺寸, 即直徑作為操作數(shù)
值, 即所量出的 Φd 無(wú)須除 2. (7)將車刀的刀尖中心, 置于工件右端面內(nèi)軸向距離1~2mm處, 重新切換至OFFSET界面, 將該把車刀的 G54 坐標(biāo)系 z=0 設(shè)置于該位置. 至此建立出圖 3-d 所示的工件坐標(biāo)系 oxz.
注：將 z 軸置于工件右端面內(nèi) 1~2mm, 并用手動(dòng)或者程序的方法去除 z>0 的氧化層部分, 可以使得零件不受到氧化層的影響, 保證端面的粗糙度.
單把車刀的工件坐標(biāo)系按照以上步驟(1)-(7)建立后, 在單把車刀的加工中, 無(wú)需再采用試切法確定x=0. 但是由于每次毛坯件的裝夾長(zhǎng)度不同, z=0 需重新設(shè)定, 設(shè)定方法如步驟(7). 實(shí)踐中, 筆者在每條加工程序中加入 G94的軸向切削循環(huán)命令, 即可令機(jī)床自動(dòng)去除右端面的氧化層, 而無(wú)需再手動(dòng)切除 z>0部分.
2. 2 多把車刀的對(duì)刀
數(shù)控車床加工中需要用到多把車刀, 以 CKA6136 為例, 四工位旋轉(zhuǎn)刀架上可裝夾四把車刀, 多把車刀的對(duì)刀即是建立獨(dú)立工件坐標(biāo)系之間互相聯(lián)系的過(guò)程：
具體有兩種方法：
a. 采用 1. 1 的單把車刀的對(duì)刀方法, 分別確定四把車刀所在的工件坐標(biāo)系, 設(shè)定為 G54、G55、G56、G57, 并在數(shù)控程序中不同車刀的工藝段選擇相應(yīng)的坐標(biāo)系. 但該種方法對(duì)刀繁瑣, 特別對(duì)于新裝夾的工件, 每次都需要重新校核四把車刀的 z=0 位置, 嚴(yán)重影響批量生產(chǎn)的生產(chǎn)效率, 為此在實(shí)際生產(chǎn)中一般不采用該方法.
b. 采用刀具偏移量補(bǔ)正的方法：該方法以刀架上的某一把車刀為基準(zhǔn)刀, 其余刀具與第一把刀具所在的坐標(biāo)系相同(均可設(shè)為G54), 而通過(guò)設(shè)置x與z偏移量 x △ 和 z △ 的方法確定獨(dú)立坐標(biāo)之間的關(guān)系, 如圖4所示.
對(duì)于新裝夾的工件, 采用該法后, 只需重新校核基準(zhǔn)刀具的 z=0 位置, 而由于非基準(zhǔn)刀具與基準(zhǔn)刀具的 x 與 z 方向的偏移量為定值, 則無(wú)需再校驗(yàn)非基準(zhǔn)刀具的 z=0 和 x=0 的位置, 提高的批量生產(chǎn)的生產(chǎn)效率, 在實(shí)際生產(chǎn)中均采用此法進(jìn)行多把車刀的對(duì)刀. 現(xiàn)以 2. 1 中的外圓車刀為基準(zhǔn)刀, 建立多把車刀的工件坐標(biāo)系, 具體做法如下：
(1)對(duì)基準(zhǔn)刀, 步驟如 2. 1 ;
(2)MDI 模式輸入換刀指令 T0200, T指令中的前兩位表示刀號(hào), 后兩位表示刀偏(00 為默認(rèn)刀偏, 01 為一號(hào)刀偏等), 由于系統(tǒng)刀偏尚未設(shè)定, 此時(shí)二號(hào)車刀默認(rèn)為無(wú)刀偏. 然后分別進(jìn)行 x 方向和 z 方向刀偏量補(bǔ)正：
x 方向刀偏量補(bǔ)正：按 2. 1 中單把車刀對(duì)刀步驟(1)~(5)試切一軸向尺寸, 并量出該數(shù)值, 記住該數(shù)值, 設(shè)其為 2 x′ , 讀出控制面板中的工件坐標(biāo)系的徑向數(shù)值, 設(shè)其為 2 x , 則非基準(zhǔn)刀具所在的工件坐標(biāo)系需往 x正方向偏移 2 X ? = 2 x - 2 x′方能與基準(zhǔn)刀具所在的 G54 坐標(biāo)系在徑向尺寸上完全相同, 若該數(shù)值小于零, 則偏移量取負(fù)號(hào). 控制面板切換至OFFSET界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在02號(hào)刀具X偏移量中輸入2 X ? = 2 x - 2 x′的代數(shù)值. z 方向刀偏量補(bǔ)正：用基準(zhǔn)刀具 1, 手動(dòng)切削試切工件 z>0 的端面部分. T指令切換至非基準(zhǔn)刀 2, 采用手搖的模式, 緩慢接近工件右端面. 接近工件右端面后, 選擇*1 的脈沖倍率, 微微碰觸工件已加工的右端面, 記下此時(shí)的控制面板 2 z 數(shù)值, 而此時(shí)的非基準(zhǔn)刀具的軸向尺寸 k z′ =0, 則非基準(zhǔn)刀具所在的工件坐標(biāo)系需往z正方向偏移 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 方能與基準(zhǔn)刀具所在的G54坐標(biāo)系在軸向尺寸上完全相同, 若該數(shù)值小于零, 則偏移量取負(fù)號(hào). 控制面板切換至 OFFSET 界面, 按軟件至刀具尺寸偏移界面, 在 02 號(hào)刀具 Z 偏移量中輸入 2 Z ? = 2 z - 2 z′ = 2 z 的代數(shù)值.
(3)第 k 把車刀的徑向尺寸和軸向尺寸偏移量的補(bǔ)正方法與步驟 a, b 相同, 偏移量的尺寸關(guān)系如圖 4 所示.
3 數(shù)控車床刀具形狀的選擇
基準(zhǔn)車刀的工件坐標(biāo)和多把車刀的刀偏量設(shè)定后, 基本對(duì)刀過(guò)程就完成, 該過(guò)程的測(cè)量步驟越準(zhǔn)確, 所加工的零件尺寸就越精確.
但由于實(shí)際刀片形狀和刀桿安裝角度的影響, 導(dǎo)致即使建立一個(gè)完整而準(zhǔn)確的坐標(biāo)系, 某些零件形狀也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的.
對(duì)于 CKA6136 型號(hào)數(shù)控車床, 以 2. 1中的等邊三角形形狀的外圓車刀為例, 分斜線與弧線兩種情況論述刀具形狀與零件形狀的關(guān)系, 如圖 5 所示.
(1)斜線的影響, 若零件縱向截面的為倒梯形, 如圖 5-a 所示, 則梯形母線與垂線的夾角 β 必須大于刀片夾角, 否則車刀的副切削刃的高于軌跡 AB, 軌跡 AB 無(wú)法加工.
(2)弧線的影響, 對(duì)于圖 5-b 所示的外凸圓弧, 假設(shè)刀具夾角為 γ, 所加工圓弧的半徑為 r, 則刀具加工的極限位置為d=rcosγ, -(r+d)<z<0 區(qū)域?yàn)榛【€可加工生成的區(qū)域. 對(duì)于5-c所示的內(nèi)凹圓弧, 刀具加工的理論其極限位置為 P=r(1- cosγ), 但是由于副切削刃長(zhǎng)度的影響, 如圖 5-d 所示, 假設(shè)刀桿的寬度 b, 為實(shí)際刀具加工的極限位置為 Q=b+d=b+(b-P)=2b-P=2b-r(1-cosγ), -(2r-Q)<z<-Q區(qū)域?yàn)榛【€可加工生成的區(qū)域.
4 數(shù)控車床機(jī)械坐標(biāo)的設(shè)定
數(shù)控車床的機(jī)械坐標(biāo)系是為了確定工件坐標(biāo)系而設(shè)定的, 初始位置由廠家預(yù)設(shè), 一般處于坐標(biāo)平面內(nèi)遠(yuǎn)離卡盤的邊角位置, 通過(guò)存儲(chǔ)電池提供掉電記憶保護(hù).
當(dāng)存儲(chǔ)蓄電池電壓低的時(shí)候, 機(jī)床會(huì)自動(dòng)報(bào)警, 所有的操作均無(wú)法進(jìn)行, 而重新更換存儲(chǔ)蓄電池會(huì)改變廠家預(yù)設(shè)的機(jī)械坐標(biāo)系位置, 因此機(jī)械坐標(biāo)系的重新設(shè)定應(yīng)該屬于對(duì)刀的過(guò)程, 是操作人員必須掌握的.
CKA6136 數(shù)控車床使用單組串聯(lián) 6V 存儲(chǔ)蓄電池, 對(duì)于長(zhǎng)期不使用的數(shù)控車床, 系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)器備份電池會(huì)因?yàn)閮?nèi)部的氧化還原反映導(dǎo)致電能的消失, 包括數(shù)控車床在內(nèi)的需要使用存儲(chǔ)器備份電池的機(jī)床, 均需要定期開機(jī), 以每周 1~2 個(gè)小時(shí)為宜.
存儲(chǔ)器備份電池更換后, 機(jī)械坐標(biāo)的原點(diǎn)需要重新設(shè)立, 否則機(jī)床出現(xiàn)需要重新設(shè)置機(jī)械坐標(biāo)系的報(bào)警提示, 經(jīng)查找機(jī)床說(shuō)明書[4]
和實(shí)踐操作的檢驗(yàn), 正確的操作過(guò)程描述如下：
(1)控制面板程序保護(hù)開關(guān)的旋鈕旋轉(zhuǎn)至位置 1 ;
(2)System-第 3292 參數(shù)第八位設(shè)置為 0, (該位為系統(tǒng)參數(shù)可寫的保護(hù)位) ;
(3)Offset-參數(shù)-可寫選項(xiàng)設(shè)置為 1, (0為 Offset 參數(shù)不可寫, 1為可寫) ;
(4)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第五位, 設(shè)置為 0(該位為 0 表示將之前的機(jī)械坐標(biāo)系信息清零), 關(guān)機(jī)重啟 ;
(5)將數(shù)控機(jī)床的刀具移至所需要的機(jī)械坐標(biāo)原點(diǎn) ;
(6)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第五位, 設(shè)置為 1(該位為 1 表示系統(tǒng)開始設(shè)置機(jī)械坐標(biāo)系), 關(guān)機(jī)重啟 ;
(7)Offset-參數(shù)-八位參數(shù) 1815-第四位, 設(shè)置為 1(該位為 1 表示機(jī)械坐標(biāo)設(shè)置為刀具當(dāng)前位置) ;
(8)Offset-參數(shù)-可寫選項(xiàng)設(shè)置為 0, 參數(shù)不可改寫;
(9)System-第 3292 參數(shù)第八位設(shè)置為 1(保護(hù)所有系統(tǒng)參數(shù));
(10)控制面板程序保護(hù)開關(guān)的旋鈕旋轉(zhuǎn)至位置 0.
5 結(jié)論
綜上, 本文論述的實(shí)用數(shù)控車床實(shí)用對(duì)刀技術(shù)能有效地提高零件的加工精度, 方便操作人員合理地選擇刀具, 對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重義. 全文的知識(shí)框架如圖6所示：
數(shù)控機(jī)床是典型的機(jī)電一體化的產(chǎn)品, 對(duì)于從事操作工作、教學(xué)工作和設(shè)計(jì)工作的人員都必須詳細(xì)了解其功能、原理和各種特性, 才能更好地利用數(shù)控機(jī)床這一已經(jīng)普及的產(chǎn)品為生產(chǎn)加工服務(wù).
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